אפקט מסבאואר

אפקט מסבאואר הוא תופעה פיזיקלית שהתגלתה על ידי הפיזיקאי הגרמני רודולף מסבאואר בשנת 1958. היא מתארת פליטה חסרת רתע של קרינת גמא על ידי אטומים בחומר מוצק ומהווה את הבסיס לספקטרוסקופיית מסבאואר.

היסטוריה

פליטה ובליעה של קרני רנטגן בגזים נצפתה בעבר וציפו כי תופעה דומה תתגלה עבור קרינת גמא. זו נוצרת במעברי אנרגיה בגרעיני אטומים, בניגוד לקרינת X-ray, שנוצרת במעברי אנרגיה אלקטרוניים. עם זאת, ניסיונות לצפות בתהודה של קרינת גמא בגזים נכשלו. מסבאואר הצליח לצפות בתהודה באירידיום מוצק, מה שהעלה את השאלה למה תהודת גמא אפשרית במוצקים אך לא בגזים. מסבאואר הציע שבעוד שבגזים חלק מהאנרגיה אובדת לרתע, מה שמונע את תופעת התהודה, עבור אטומים במוצק, חלק מהתגובות הגרעיניות יכולות להתרחש כמעט ללא רתע. הוא שייך את התהודה בה צפה לחלק זה של אירועים חסרי רתע. גילוי והסבר זה זיכו אותו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1961, יחד עם מחקרו של רוברט הופסטדטר אודות פיזורי אלקטרונים בגרעיני אטומים.

תיאור התופעה

קרינת גמא נוצרת בתהליכים שמתרחשים בגרעין האטום, כתוצאה ממעבר ממצב לא יציב בעל אנרגיה גבוהה למצב יציב עם אנרגיה נמוכה יותר. האנרגיה של הפוטון שנפלט בתהליך מתאימה להפרש בין שתי הרמות, פחות כמות האנרגיה שהולכת לאיבוד ברתע לאטום הפולט. אם אנרגיית הרתע "האבודה" קטנה יחסית לרוחב הקו הספקטרלי של התהליך, אזי הפוטון עדיין יכול להיבלע על ידי אטום שני, מאותו סוג של הראשון. תהליך זה של פליטה ובליעה מכונה תהודה. אנרגיית רתע נוספת הולכת לאיבוד בבליעה, ולכן על מנת שתתרחש תהודה, אנרגיית הרתע צריכה להיות קטנה ממחצית רוחב הקו עבור המעבר האנרגטי הרלוונטי.

ניתן למצוא את כמות האנרגיה בגוף הנרתע משימור תנע: $|P_{R}|^{2}=|P_{\gamma }|^{2}\,$, כאשר P_R הוא הרתע של האטום הפולט (הנרתע), ואילו P_γ הוא התנע של הפוטון הנפלט. הצבת גודל זה במשוואת האנרגיה תיתן : $E_{R}={\frac {P_{R}^{2}}{2M}}={\frac {E_{\gamma }^{2}}{2Mc^{2}}}$, כאשר השתמשנו בקשר $E_{\gamma }=P_{\gamma }c$ עבור הפוטון.

עבור גזים, החלקיקים הפולטים והבולעים את הקרינה הם אטומים, והמסה שלהם היא יחסית קטנה, מה שגורם לאנרגיית רתע גדולה שמונעת תהודה. אותה משוואה עבור אנרגיית רתע תקפה גם עבור במקרה של קרני רנטגן, אבל במקרה זה אנרגיית ותנע הפוטון קטנים משמעותית, ולכן אובדן האנרגיה לרתע הוא קטן יותר ותהודה עדיין יכולה להתרחש גם בפאזה הגזית של חומר.

במוצק, הגרעינים קשורים במבנה של סריג ולכן תהליך הרתיעה שונה: הסריג כולו נרתע, אך מכיוון שהמסה שלו גדולה מאוד יחסית לאטום, אנרגיית הרתע היא זניחה. עם זאת, אנרגיה של תהליך דעיכה יכולה לקבל תוספת או להיגרע באמצעות תנודות בסריג, שמתוארות באמצעות פונונים. אפקט מסבאואר מתרחש מכיוון שקיימת הסתברות סופית שדעיכה תתרחש ללא מעורבות פונונים. לכן, עבור חלק מהאירועים האנרגטיים (שנתון על ידי פקטור לם-מסבאואר), הסריג כולו מתפקד כגוף הנרתע ואירועים אלה הם בפועל חסרי רתע. במקרים אלה, מכיוון שאנרגיית הרתע היא זניחה, קרינת הגמא הנפלטת היא בעלת אנרגיה מתאימה לבליעה חוזרת על ידי אטום אחר ותהודה יכולה להתרחש.

מאפיין נוסף של התהליך הוא רוחב קו קטן של הקרינה הנפלטת, התלוי בזמן מחצית החיים של הדעיכה. משמעות רוחב קו קטן הוא שהקרינה רגישה מאוד לשינויים קטנים במעברים אנרגטיים בגרעין. למעשה, קרינת גמא יכולה לשמש ככלי לבחון את האינטראקציות בין הגרעין והאלקטרונים שלו ושל שכניו. זהו הבסיס לספקטרוסקופיית מסבאואר, אשר משלבת את אפקט מסבאואר יחד עם אפקט דופלר כדי לחקור אינטראקציות אלה.

מעברים אופטיים ללא פונונים הוא תהליך אנלוגי לאפקט מסבאואר, שניתן לצפות בו בכרומופורים בסריג בטמפרטורות נמוכות.

ראו גם

• קרינת אלפא
• קרינת בטא
• ניסוי פאונד-רבקה
• הסטה איזומרית

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא אפקט מסבאואר בוויקישיתוף

• אפקט מסבאואר, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• אפקט מוסבאואר, דף שער בספרייה הלאומית