メスバウアー効果の物理学

メスバウアー効果は、反跳のないガンマ線共鳴吸収とも呼ばれ、ガンマ線の共鳴吸収を可能にする核過程です。これは、固体の格子に原子核を固定することによって可能になり、放射の放出および吸収中に反跳でエネルギーが失われないようにします。1957年にドイツ生まれの物理学者ルドルフL.メスバウアーによって発見されたプロセスは、さまざまな科学的現象を研究するための有用なツールです。

メスバウアー効果の基礎を理解するには、いくつかの基本原理を理解する必要があります。これらの最初は、ドップラーシフトです。機関車が笛を吹くとき、笛の音が聴取者に近づく間、音波の周波数、またはピッチが増加し、笛が後退するにつれて減少します。ドップラー式は、波のこの変化または周波数のシフトを、機関車の速度の線形関数として表します。同様に、原子の核がガンマ線光子として知られている波束の形で電磁エネルギーを放射するとき、それもドップラーシフトの影響を受けます。エネルギーの変化として認識される周波数の変化は、核が観測者に対してどれだけ速く移動しているかによって異なります。

核の反動という2番目の概念は、ライフルの動作によって説明できます。発砲中にゆるく保持されていると、その反動、つまり「キック」が激しくなります。マークスマンの肩にしっかりと当てると、反動が大幅に減少します。2つの状況の違いは、運動量（質量と速度の積）が保存されるという事実に起因します。発射体を発射するシステムの運動量は、発射体の運動量と反対で等しくなければなりません。ライフルをしっかりと支えることにより、射手は発砲システムの一部としてはるかに大きな質量を持つ彼の体を含み、それに応じてシステムの後方速度が低下します。原子核にも同じ法則が適用されます。放射線がガンマ線の形で放出されるとき、その原子核をもつ原子は、ガンマ線の運動量のために反跳を受けます。核による放射線の吸収中にも同様の反動が発生します。

最後に、核によるガンマ線の吸収を支配する原理を理解する必要があります。原子核は特定のエネルギー状態でのみ存在できます。ガンマ線が吸収されるためには、そのエネルギーはこれら2つの状態の差に正確に等しくなければなりません。このような吸収は共鳴吸収と呼ばれます。自由原子の原子核から放出されるガンマ線は、そのエネルギーが反跳元の原子核に与えられた運動エネルギーに等しい量だけ共鳴エネルギーよりも小さいため、別の原子の同様の原子核によって共鳴吸収することはできません。

適用の原則

同じ種類の核を2つの固体に埋め込むことにより、一方の固体が放射または励起状態にあり、他方が吸収または基底状態にある場合、最初の固体からのガンマ線を共鳴吸収に使用できます。二番目。この方法は非常に敏感なので、1秒あたり10分の1センチメートルの速度で1つの固体が他の固体に対して移動すると、ガンマ線エネルギーのドップラーシフトによって共振が破壊されます。この事実には、実験物理学のツールとしてのメスバウアー効果の有用性があります。放射または吸収する原子核のエネルギー状態が外部の影響によって妨害される場合、共鳴吸収も無効になります。次に、共鳴吸収が再確立されるまで、放射固体と吸収固体の相対速度を変化させることにより、妨害効果の正確な大きさを決定できます。

装置

メスバウアー効果は、通常、基底状態の同じ同位体を含む吸収体を介した放射線源からのガンマ線の透過率を測定することによって観察されます。この実験に使用されたデバイスは、ガンマ線自体のエネルギーの近くのエネルギー領域をスキャンするためにドップラーシフトを利用するため、メスバウアー効果ドップラー速度分光計と呼ばれます。この概念を利用した分光計を図1に概略的に示します。放射能源は、明確に定義された速度で移動する電気機械変換器に取り付けられています。一般的に、毎秒数センチの速度が必要です。放出されたガンマ線のエネルギーは、ドップラー効果により、速度に比例した量だけシフトします。この例では、放射線源と共鳴吸収体の核は同一であり、外場によって摂動されていません。ガンマ線は、共鳴同位体を含む吸収体を通過し、比例計数管で検出されます。1秒あたりに検出されるガンマ線は、ドップラー速度の関数としてプロットされ、図2に示すようなメスバウアー効果の吸収スペクトルが得られます。中央の計数率の低下は、共鳴吸収、つまりメスバウアー効果によるものです。高い正または負の速度では、共鳴吸収はドップラーシフトによって破壊されています。

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