التحول المتماثل

الانزياح الأيزوميري (أو انزياح الأيزومر) هو الانزياح الذي يطرأ على خطوط الطيف الذري وخطوط طيف غاما، والذي يحدث نتيجة استبدال أحد الأيزومرات النووية بآخر. ويُطلق عليه عادةً اسم الانزياح الأيزوميري على خطوط الطيف الذري ، أو انزياح موسباور الأيزوميري . إذا احتوت الأطياف أيضًا على بنية فائقة الدقة، فإن الانزياح يشير إلى مركز ثقل الطيف. يوفر الانزياح الأيزوميري معلومات مهمة حول البنية النووية والبيئة الفيزيائية أو الكيميائية أو البيولوجية للذرات. ومؤخرًا، اقتُرح هذا التأثير أيضًا كأداة في البحث عن التغير الزمني للثوابت الأساسية في الطبيعة. ^{[ 1 ]}

يُعرف الانزياح الأيزوميري في خطوط الطيف الذري بأنه تغير في الطاقة أو التردد في الأطياف الذرية، ويحدث عند استبدال أحد الأيزومرات النووية بآخر. وقد تنبأ ريتشارد إم. واينر ^{[ 2 ]} بهذا التأثير عام 1956، حيث أظهرت حساباته إمكانية قياسه باستخدام مطيافية ذرية (بصرية) (انظر أيضًا ^{[ 3 ]} ). وقد رُصد تجريبيًا ^{[ 4 ]} لأول مرة عام 1958. وتُستخدم نظرية الانزياح الأيزوميري الذري ^{[ 2 ] [ 3 ]} أيضًا في تفسير انزياح موسباور الأيزوميري.

يظهر مفهوم المتصاوغ أيضًا في مجالات أخرى كالكيمياء والأرصاد الجوية . ولذلك، استُخدم مصطلح "الانزياح المتصاوغي النووي على الخطوط الطيفية" في المنشورات الأولى التي تناولت هذا التأثير ^{[ 3 ] [ 2 ]} . قبل اكتشاف تأثير موسباور ، كان مصطلح "الانزياح المتصاوغي" يُشير حصريًا إلى الأطياف الذرية ؛ وهذا يُفسر غياب كلمة "ذري" في التعريف الأولي ^{[ 2 ] [ 3 ]} لهذا التأثير. لاحقًا، لُوحظ الانزياح المتصاوغي أيضًا في مطيافية أشعة غاما من خلال تأثير موسباور، وسُمي " انزياح موسباور المتصاوغي" . لمزيد من التفاصيل حول تاريخ الانزياح المتصاوغي والمصطلحات المستخدمة، انظر ^{[ 5 ] [ 6 ] .}

تنتج خطوط الطيف الذري عن انتقالات الإلكترونات بين مستويات الطاقة الذرية المختلفة (E) ، متبوعة بانبعاث الفوتونات. تُعدّ مستويات الطاقة الذرية مظهرًا من مظاهر التفاعل الكهرومغناطيسي بين الإلكترونات والنوى. تنزاح مستويات الطاقة لذرتين، نواتهما نظائر مختلفة لنفس العنصر، إحداهما بالنسبة للأخرى، على الرغم من تطابق الشحنات الكهربائية ( Z) للنظيرين. ويعود ذلك إلى اختلاف النظائر في عدد النيوترونات، وبالتالي اختلاف كتلتها وحجمها؛ هذه الاختلافات هي التي تُسبب الانزياح النظائري في خطوط الطيف الذري.

في حالة وجود متصاوغين نوويين، يكون عدد البروتونات والنيوترونات متطابقًا، لكن الحالات الكمومية، وخاصة مستويات الطاقة، تختلف بين المتصاوغين. يُحدث هذا الاختلاف فرقًا في توزيع الشحنة الكهربائية بين المتصاوغين، وبالتالي فرقًا مقداره δφ في الكمون النووي الكهروستاتيكي φ، مما يؤدي في النهاية إلى فرق مقداره ΔE في مستويات الطاقة الذرية. يُعطى الانزياح المتصاوغي على خطوط الطيف الذري بالعلاقة التالية :

${\displaystyle \Delta E=-e\int \delta \phi |\psi |^{2}\,d\tau ,}$

حيث ψ هي الدالة الموجية للإلكترون المشارك في الانتقال، و e هي شحنته الكهربائية، ويتم إجراء التكامل على إحداثيات الإلكترون.

يتشابه الانزياح النظائري والانزياح المتماثل من حيث كونهما تأثيرين يظهر فيهما الحجم المحدود للنواة، وكلاهما ناتج عن اختلاف في طاقة التفاعل الكهرومغناطيسي بين الإلكترونات ونواة الذرة. عُرف الانزياح النظائري قبل عقود من الانزياح المتماثل، وقدّم معلومات مفيدة ولكنها محدودة حول أنوية الذرات. على عكس الانزياح المتماثل، اكتُشف الانزياح النظائري تجريبيًا أولًا، ثم فُسّر نظريًا (انظر أيضًا ^{[ 7 ]} ). في حين أن تحديد طاقة التفاعل بين الإلكترونات والنوى في حالة الانزياح النظائري يُعدّ مسألة كهرومغناطيسية بسيطة نسبيًا، فإن المسألة في حالة المتماثلات أكثر تعقيدًا، إذ إن التفاعل القوي هو المسؤول عن الإثارة المتماثلة للنواة، وبالتالي عن اختلاف توزيع الشحنة بين حالتي المتماثل. يُفسر هذا الظرف جزئيًا سبب عدم اكتشاف الانزياح الأيزومري النووي في وقت سابق: إذ لم تُطوَّر النظرية النووية المناسبة، ولا سيما نموذج الغلاف النووي، إلا في أواخر الأربعينيات وأوائل الخمسينيات من القرن العشرين. أما بالنسبة للملاحظة التجريبية لهذا الانزياح، فقد كان لا بد من انتظار تطوير تقنية جديدة تسمح بالتحليل الطيفي للأيزومرات، وهي أنوية شبه مستقرة . ولم يحدث هذا أيضًا إلا في الخمسينيات من القرن العشرين.

بينما يتأثر الانزياح الأيزوميري بالبنية الداخلية للنواة، فإن الانزياح النظائري (بتقريب جيد) لا يتأثر بها. لذا، فإن المعلومات الفيزيائية النووية التي يمكن الحصول عليها من دراسة الانزياح الأيزوميري تتفوق على تلك التي يمكن الحصول عليها من دراسات الانزياح النظائري. وتُعد القياسات التي تُجرى عبر الانزياح الأيزوميري، مثلاً، الفرق في نصف قطر النواة بين الحالة المثارة والحالة الأرضية، من أكثر الاختبارات حساسية للنماذج النووية. علاوة على ذلك، وبالاقتران مع تأثير موسباور، يُشكل الانزياح الأيزوميري حاليًا أداة فريدة في العديد من المجالات الأخرى إلى جانب الفيزياء.

وفقًا لنموذج الغلاف النووي، توجد فئة من المتماكبات، يكفي فيها، كتقريب أولي، اعتبار نيوكليون واحد ، يُسمى النيوكليون "البصري"، لتقدير الفرق بين توزيعات الشحنة لحالتي المتماكبين، مع استبعاد بقية النيوكليونات . ينطبق هذا بشكل خاص على المتماكبات في النوى ذات عدد فردي من البروتونات وعدد زوجي من النيوترونات، ذات الأغلفة شبه المغلقة. يُعد الإنديوم -115، الذي حُسب تأثيره ^{[ 2 ]،} مثالًا على ذلك. وقد أظهرت نتائج الحساب أن الانزياح المتماكبي على خطوط الطيف الذري، على الرغم من صغره نسبيًا، كان أكبر بمرتبتين من حيث الحجم من عرض الخط الطبيعي النموذجي، وهو ما يمثل حد القياس البصري.

كان الانزياح المقاس بعد ثلاث سنوات ^{[ 4 ]} في الزئبق-197 قريبًا جدًا من الانزياح المحسوب للإنديوم-115، مع أن النيوكليون الضوئي في الزئبق-197، على عكس الإنديوم-115، هو نيوترون وليس بروتون، وتفاعل الإلكترون مع النيوترون الحر أضعف بكثير من تفاعل الإلكترون مع البروتون الحر. ويُعزى ذلك إلى أن النيوكليونات الضوئية ليست جسيمات حرة، بل جسيمات مرتبطة. ^{[ 2 ]} وبالتالي ، يمكن تفسير النتائج ^{[ 4 ] [ 8 ]} ضمن النظرية ^{[ 2 ]} بربط النيوترون الضوئي الفردي بشحنة كهربائية فعالة مقدارها Z / A .

إن الانزياح المتساوي لموسباور هو الانزياح الذي يُرى في مطيافية أشعة جاما عند مقارنة حالتين نوويتين متساويتين مختلفتين في بيئتين فيزيائيتين أو كيميائيتين أو بيولوجيتين مختلفتين، ويرجع ذلك إلى التأثير المشترك لانتقال موسباور الخالي من الارتداد بين الحالتين النوويتين المتساويتين والانتقال بين حالتين ذريتين في هاتين البيئتين.

يعتمد الانزياح المتساوي على خطوط الطيف الذري على دالة الموجة الإلكترونية ψ وعلى الفرق δφ في الجهود الكهروستاتيكية φ للحالتين المتساويتين.

بالنسبة لأيزومر نووي معين في بيئتين فيزيائيتين أو كيميائيتين مختلفتين (أطوار فيزيائية مختلفة أو تركيبات كيميائية مختلفة)، تختلف الدوال الموجية الإلكترونية أيضًا. لذلك، بالإضافة إلى الانزياح الأيزوميري على خطوط الطيف الذري، الناتج عن اختلاف حالتي الأيزومرين النوويين، سيكون هناك انزياح بين البيئتين (بسبب الترتيب التجريبي، تُسمى هاتان البيئتان المصدر (s) والممتص (a)). يُعرف هذا الانزياح المُركب بانزياح موسباور الأيزوميري، ويتم وصفه رياضيًا بنفس الصيغة المستخدمة في وصف الانزياح الأيزوميري النووي على خطوط الطيف الذري، باستثناء أنه بدلًا من دالة موجية إلكترونية واحدة، وهي تلك الموجودة في المصدر ψs _، يتم التعامل مع الفرق بين الدالة الموجية الإلكترونية في المصدر ψs _{والدالة} الموجية الإلكترونية في الممتص _ψa .

${\displaystyle \Delta E_{\text{Mossbauer}}=\Delta E_{\text{s}}-\Delta E_{\text{a}}=-e\int \delta \phi {\big (}|\psi _{\text{s}}|^{2}-|\psi _{\text{a}}|^{2}{\big )}\,d\tau .}$

أُبلغ عن أول قياس للانزياح الأيزوميري في مطيافية غاما باستخدام تأثير موسباور ^{[ 9 ]} في عام 1960، بعد عامين من أول رصد تجريبي له في مطيافية الذرات. ^{[ 4 ]} ومن خلال قياس هذا الانزياح، نحصل على معلومات مهمة ودقيقة للغاية، سواء عن حالات الأيزومرات النووية أو عن البيئة الفيزيائية أو الكيميائية أو البيولوجية للذرات، والتي تمثلها الدوال الموجية الإلكترونية.

في إطار تقنية موسباور، وجدت الإزاحة المتماثلة تطبيقات مهمة في مجالات متنوعة كفيزياء الذرة ، وفيزياء الحالة الصلبة ، والفيزياء النووية ، والكيمياء ، وعلم الأحياء ، وعلم المعادن ، وعلم المعادن ، والجيولوجيا ، وأبحاث القمر. لمزيد من المراجع، انظر أيضًا ^{[ 10 ] .}

وقد لوحظت أيضًا عملية التحول النووي المتماثل في الذرات الميونية، ^{[ 11 ]} أي الذرات التي يتم فيها التقاط الميون بواسطة النواة المثارة وينتقل من حالة ذرية مثارة إلى الحالة الأرضية الذرية في وقت أقصر من عمر الحالة النووية المتماثلة المثارة.