Mössbauer-Effekt, auch rückstoßfreie Gammastrahlenresonanzabsorption genannt, Kernprozess, der die Resonanzabsorption von Gammastrahlen ermöglicht. Möglich wird dies durch die Fixierung von Atomkernen im Festkörpergitter, damit beim Rückstoß bei der Emission und Absorption von Strahlung keine Energie verloren geht. Der 1957 von dem in Deutschland geborenen Physiker Rudolf L. Mössbauer entdeckte Prozess ist ein nützliches Instrument zur Untersuchung verschiedener wissenschaftlicher Phänomene.
Um die Grundlagen des Mössbauer-Effekts zu verstehen, müssen mehrere Grundprinzipien verstanden werden. Die erste davon ist die Doppler-Verschiebung. Wenn eine Lok pfeift, wird die Frequenz oder Tonhöhe der Schallwellen erhöht, während sich die Pfeife einem Hörer nähert, und verringert, wenn die Pfeife nachlässt. Die Doppler-Formel drückt diese Änderung oder Verschiebung der Frequenz der Wellen als lineare Funktion der Geschwindigkeit der Lokomotive aus. In ähnlicher Weise unterliegt der Kern eines Atoms, wenn er elektromagnetische Energie in Form eines Wellenpakets ausstrahlt, das als Gammastrahlenphoton bekannt ist, auch der Doppler-Verschiebung. Die Frequenzänderung, die als Energieänderung wahrgenommen wird, hängt davon ab, wie schnell sich der Kern in Bezug auf den Betrachter bewegt.
Das zweite Konzept, das des nuklearen Rückstoßes, kann durch das Verhalten eines Gewehrs veranschaulicht werden. Wenn es während des Schießens locker gehalten wird, ist sein Rückstoß oder "Tritt" heftig. Wenn es fest gegen die Schulter des Schützen gedrückt wird, wird der Rückstoß stark reduziert. Der Unterschied zwischen den beiden Situationen ergibt sich aus der Tatsache, dass der Impuls (das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit) erhalten bleibt: Der Impuls des Systems, das ein Projektil abfeuert, muss dem des Projektils entgegengesetzt und gleich sein. Durch die feste Unterstützung des Gewehrs schließt der Schütze seinen Körper mit seiner viel größeren Masse als Teil des Schusssystems ein und die Rückwärtsgeschwindigkeit des Systems wird entsprechend verringert. Ein Atomkern unterliegt demselben Gesetz. Wenn Strahlung in Form eines Gammastrahls emittiert wird, erfährt das Atom mit seinem Kern aufgrund des Impulses des Gammastrahls einen Rückstoß. Ein ähnlicher Rückstoß tritt bei der Absorption von Strahlung durch einen Kern auf.
Schließlich ist es notwendig, die Prinzipien zu verstehen, die die Absorption von Gammastrahlen durch Kerne regeln. Kerne können nur in bestimmten Energiezuständen existieren. Damit ein Gammastrahl absorbiert werden kann, muss seine Energie genau der Differenz zwischen zwei dieser Zustände entsprechen. Eine solche Absorption wird Resonanzabsorption genannt. Ein Gammastrahl, der aus einem Kern in einem freien Atom ausgestoßen wird, kann von einem ähnlichen Kern in einem anderen Atom nicht resonant absorbiert werden, da seine Energie um einen Betrag geringer ist als die Resonanzenergie, der der kinetischen Energie entspricht, die dem rückstoßenden Quellkern gegeben wird.
Anwendungsgrundsätze
Durch Einbetten der gleichen Art von Kernen in zwei Festkörper, wobei sich die einen in einem strahlenden oder angeregten Zustand und die anderen in einem absorbierenden oder Grundzustand befinden, ist es möglich, Gammastrahlung des ersten Feststoffs für die resonante Absorption in zu verwenden der Zweite. Das Verfahren ist so empfindlich, dass, wenn sich ein Festkörper mit einer Geschwindigkeit von nur einem Zehntel Zentimeter pro Sekunde relativ zum anderen bewegt, die Resonanz durch die Doppler-Verschiebung der Gammastrahlenenergie zerstört wird. In dieser Tatsache liegt die Nützlichkeit des Mössbauer-Effekts als Werkzeug der experimentellen Physik. Wenn ein Energiezustand des strahlenden oder absorbierenden Kerns durch einen äußeren Effekt gestört wird, wird auch die Resonanzabsorption aufgehoben. Dann kann durch Variieren der Relativgeschwindigkeit der strahlenden und absorbierenden Feststoffe bis zur Wiederherstellung der Resonanzabsorption die genaue Größe des Störungseffekts bestimmt werden.
Gerät
Der Mössbauer-Effekt wird normalerweise beobachtet, indem die Transmission von Gammastrahlen von einer radioaktiven Quelle durch einen Absorber gemessen wird, der im Grundzustand dasselbe Isotop enthält. Die für dieses Experiment verwendete Vorrichtung wird als Mössbauer-Effekt-Doppler-Geschwindigkeitsspektrometer bezeichnet, da sie die Doppler-Verschiebung verwendet, um einen Energiebereich in der Nähe der Energie des Gammastrahls selbst abzutasten. Ein Spektrometer, das dieses Konzept verwendet, ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Eine radioaktive Quelle ist an einem elektromechanischen Wandler angebracht, der sich mit einer genau definierten Geschwindigkeit bewegt. Im Allgemeinen sind Geschwindigkeiten von wenigen Zentimetern pro Sekunde erforderlich. Die Energie der emittierten Gammastrahlen wird aufgrund des Doppler-Effekts um einen der Geschwindigkeit proportionalen Betrag verschoben. In diesem Beispiel sind die Kerne der radioaktiven Quelle und des Resonanzabsorbers identisch und wurden nicht durch ein Außenfeld gestört. Die Gammastrahlen passieren einen Absorber, der das Resonanzisotop enthält, und werden von einem Proportionalzähler erfasst. Die pro Sekunde detektierten Gammastrahlen werden als Funktion der Doppler-Geschwindigkeit aufgetragen, was zu einem Absorptionsspektrum des Mössbauer-Effekts wie dem in Abbildung 2 gezeigten führt. Der Abfall der Zählrate im Zentrum ist auf die Resonanzabsorption zurückzuführen, dh auf den Mössbauer-Effekt. Bei hoher positiver oder negativer Geschwindigkeit wurde die Resonanzabsorption durch die Doppler-Verschiebung zerstört.
