Efeito Mössbauer - Mössbauer effect

O efeito Mössbauer , ou fluorescência de ressonância nuclear sem recuo , é um fenômeno físico descoberto por Rudolf Mössbauer em 1958. Envolve a emissão ressonante e sem recuo e a absorção de radiação gama por núcleos atômicos ligados em um sólido. Sua principal aplicação é na espectroscopia Mössbauer .

No efeito Mössbauer, uma ressonância estreita para a emissão e absorção de gama nuclear resulta do momento de recuo sendo entregue a uma estrutura de cristal circundante, em vez de apenas ao núcleo emissor ou absorvedor. Quando isso ocorre, nenhuma energia gama é perdida para a energia cinética dos núcleos recuados, tanto na extremidade emissora quanto na absorvente de uma transição gama: a emissão e a absorção ocorrem com a mesma energia, resultando em uma absorção forte e ressonante.

História

A emissão e absorção de raios-X por gases haviam sido observadas anteriormente, e esperava-se que um fenômeno semelhante fosse encontrado para raios gama , que são criados por transições nucleares (em oposição aos raios X, que são tipicamente produzidos por eletrônicos transições ). No entanto, as tentativas de observar a ressonância nuclear produzida pelos raios gama em gases falharam devido à perda de energia para recuar, impedindo a ressonância (o efeito Doppler também amplia o espectro dos raios gama). Mössbauer foi capaz de observar ressonância em núcleos de irídio sólido , o que levantou a questão de por que a ressonância de raios gama era possível em sólidos, mas não em gases. Mössbauer propôs que, para o caso de átomos ligados em um sólido, sob certas circunstâncias, uma fração dos eventos nucleares poderia ocorrer essencialmente sem recuo. Ele atribuiu a ressonância observada a essa fração livre de recuo dos eventos nucleares.

O efeito Mössbauer foi uma das últimas grandes descobertas da física a ser relatada originalmente na língua alemã. O primeiro relatório em inglês foi uma carta descrevendo uma repetição do experimento.

A descoberta foi premiada com o Prêmio Nobel de Física em 1961, juntamente com a pesquisa de Robert Hofstadter sobre o espalhamento de elétrons em núcleos atômicos.

Descrição

Espectro de absorção Mössbauer de 57 Fe

O Efeito Mössbauer é um processo no qual um núcleo emite ou absorve raios gama sem perda de energia para um recuo nuclear. Foi descoberto pelo físico alemão Rudolf L. Mössbauer em 1958 e provou ser extremamente útil para a pesquisa básica em física e química. Tem sido usado, por exemplo, na medição precisa de pequenas mudanças de energia em núcleos, átomos e cristais induzidas por campos elétricos, magnéticos ou gravitacionais. Em uma transição de um núcleo de um estado de energia superior para um estado de energia inferior com a emissão de raios gama, a emissão geralmente faz com que o núcleo recue, e isso retira energia dos raios gama emitidos. Assim, os raios gama não têm energia suficiente para excitar um núcleo alvo a ser examinado. Porém, Mössbauer descobriu que é possível haver transições nas quais o recuo é absorvido por um cristal inteiro no qual o núcleo emissor está ligado. Nessas circunstâncias, a energia que vai para o recuo é uma porção desprezível da energia da transição. Portanto, os raios gama emitidos carregam praticamente toda a energia liberada pela transição nuclear. Os raios gama são, portanto, capazes de induzir uma transição reversa, sob condições semelhantes de recuo desprezível, em um núcleo alvo do mesmo material que o emissor, mas em um estado de energia inferior. Em geral, os raios gama são produzidos por transições nucleares de um estado instável de alta energia para um estado estável de baixa energia. A energia do raio gama emitido corresponde à energia da transição nuclear, menos uma quantidade de energia que é perdida como recuo para o átomo emissor. Se a energia de recuo perdida for pequena comparada com a largura da linha de energia da transição nuclear, então a energia do raio gama ainda corresponde à energia da transição nuclear, e o raio gama pode ser absorvido por um segundo átomo do mesmo tipo que o primeiro . Esta emissão e absorção subseqüente é chamada de fluorescência ressonante . A energia de recuo adicional também é perdida durante a absorção, portanto, para que a ressonância ocorra, a energia de recuo deve ser menor que a metade da largura da linha para a transição nuclear correspondente.

A quantidade de energia no corpo que recua ( E R ) pode ser encontrada na conservação do momento:

onde P R é o momento da matéria que recua e P γ o momento do raio gama. Substituir energia na equação dá:

onde E R ( 0,002  eV para 57
Fe
) é a energia perdida com o recuo, E γ é a energia do raio gama ( 14,4  keV para 57
Fe
), M ( 56,9354  u para 57
Fe
) é a massa do corpo emissor ou absorvente e c é a velocidade da luz . No caso de um gás, os corpos emissores e absorvedores são átomos, então a massa é relativamente pequena, resultando em uma grande energia de recuo, o que impede a ressonância. (Observe que a mesma equação se aplica para perdas de energia de recuo em raios-X, mas a energia do fóton é muito menor, resultando em uma perda de energia menor, razão pela qual a ressonância da fase gasosa pode ser observada com os raios-X.)

Em um sólido, os núcleos estão ligados à rede e não recuam da mesma forma que em um gás. A rede como um todo recua, mas a energia de recuo é desprezível porque o M na equação acima é a massa de toda a rede. No entanto, a energia em um decaimento pode ser absorvida ou fornecida por vibrações de rede. A energia dessas vibrações é quantizada em unidades conhecidas como fônons . O efeito Mössbauer ocorre porque existe uma probabilidade finita de ocorrer um decaimento sem envolver fônons. Assim, em uma fração dos eventos nucleares (a fração livre de recuo , dada pelo fator Lamb-Mössbauer ), o cristal inteiro atua como o corpo que recua, e esses eventos são essencialmente livres de recuo. Nestes casos, como a energia de recuo é desprezível, os raios gama emitidos têm a energia adequada e pode ocorrer ressonância.

Em geral (dependendo da meia-vida do decaimento), os raios gama têm larguras de linha muito estreitas. Isso significa que eles são muito sensíveis a pequenas mudanças nas energias das transições nucleares. Na verdade, os raios gama podem ser usados ​​como uma sonda para observar os efeitos das interações entre um núcleo e seus elétrons e os de seus vizinhos. Esta é a base para a espectroscopia Mössbauer, que combina o efeito Mössbauer com o efeito Doppler para monitorar tais interações.

Transições ópticas de fônon zero , um processo muito análogo ao efeito Mössbauer, podem ser observadas em cromóforos ligados à rede em baixas temperaturas.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos