Efecte Mößbauer

El efecte Mossbauer és un fenomen físic descobert en 1957 pel físic alemà Rudolf Mößbauer (1929-2011) relacionat en l'emissió i absorció resonante de rajos gamma lliures de reculada per part d'àtoms d'un sòlit.

Història

En anterioritat s'havia observat l'emissió i absorció de rajos X per part de gasos, per lo tant es pensava que un fenomen similar s'observaria en els rajos gamma, que s'originen en les transicions nuclears (a diferència dels rajos X que es produïxen per transicions d'electrons). No obstant, varen fallar els intents per observar resonàncies de rajos gamma en gasos per l'energia que es pert en la reculada, lo que impossibilita la resonància (l'efecte Doppler també eixampla l'espectre dels rajos gamma). No obstant Mössbauer va poder observar resonàncies en iridi en estat sòlit, lo que va disparar la pregunta sobre per qué era possible observar resonància de rajos gamma en els sòlits, pero no en els gasos. Mössbauer va propondre que, per al cas d'àtoms que es troben continguts dins d'un sòlit, baix certes circumstàncies una fracció dels events nuclears podien tindre lloc sense que es produïra una reculada. Va atribuir la resonància observada a esta fracció d'events nuclears en els quals no es dispersaria energia en fenomens de reculada. Per este descobriment se li va concedir el Premi Nobel de Física en l'any 1961 junt en Robert Hofstadter pel seu treball en el camp de la dispersió d'electrons en el núcleu dels àtoms.

Descripció

Archiu:Mossbauer 51Fe.png

En general, els rajos gamma són producte de transicions nuclears: entre un estat inestable d'alta energia, a un estat de menor energia. L'energia del raig gamma emés correspon a l'energia de la transició nuclear, menys la cantitat d'energia que es pert en la reculada (o desplaçament) de l'àtom que l'emet. Si la "energia de reculada" que es pert és chicoteta comparada en l'ample de l'energia de la transició nuclear, llavors l'energia del raig gamma encara es correspon en l'energia de la transició nuclear, i el raig gamma pot ser absorbit per un segon àtom del mateix tipo que el primer. Esta emissió i posterior absorció és cridada resonància. Energia de reculada adicional és també utilisada durant l'absorció, de forma tal que per a que la resonància puga produir-se l'energia de reculada deu ser menor que la mitat de l'energia corresponent a la transició nuclear.

La cantitat d'energia en el cos que experimenta la reculada es pot calcular aplicant conservació del moment:

___MATH_0___

___MATH_1___

a on P_R és el moment del cos que retrocedix, i P_γ és el moment del raig gamma. Substituyendo l'energia en l'equació s'obté:

___MATH_2___

___MATH_3___

a on I_R és l'energia que es dissipa com a reculada, I_γ és l'energia del raig gamma, M és la massa del cos que emet o absorbix, i c és la velocitat de la llum. En el cas d'un gas els cossos que emeten i absorbixen són els àtoms, per lo que la massa és menuda, i en conseqüència una gran energia de reculada, lo que impossibilita es produïxca la resonància. (Es deu notar que la mateixa equació és aplicable a les pèrdues d'energia de reculada en els rajos X, pero com l'energia del fotó és molt menor, la pèrdua d'energia és molt menor i per lo tant fa possible que la resonància ocórrega en la fase gaseosa en rajos X.)

En un sòlit, els núcleus formen part d'una ret i per lo tant la seua reculada ocorre de manera distinta que en un gas. La ret en el seu conjunt experimenta una reculada pero l'energia de reculada és ínfima perque la M en l'equació indicada prèviament correspon a la massa de tota la ret. No obstant, l'energia lliberada en una decaiguda pot ser presa (o suministrada) per vibracions de la ret d'àtoms que formen el sòlit. L'energia d'estes vibracions està conformada per paquets cuantizados d'energia cridats fonones. L'efecte Mössbauer ocorre perque existix una provabilitat finita de que ocórrega una decaiguda que no involucre fonones. O siga en alguns dels events nuclears (la fracció sense reculada), tota la ret cristalina actua com un cos en reculada, i per lo tant els events poden ser considerats als fins pràctics com sense reculada. En estos casos, ya que l'energia de reculada és ínfima, els rajos gammas emesos posseïxen l'energia apropiada i per lo tant es pot produir la resonància.