تأثير موسباور

تأثير موسباور ، أو التألق الرنيني النووي عديم الارتداد ، ظاهرة فيزيائية سُميت نسبةً إلى رودولف موسباور الذي درسها عام 1958. وهي تتضمن انبعاث وامتصاص أشعة غاما بشكل رنيني ودون ارتداد من قِبل نوى الذرات المرتبطة في مادة صلبة. ويُستخدم هذا التأثير بشكل رئيسي في مطيافية موسباور .

في تأثير موسباور، ينتج رنين ضيق لانبعاث وامتصاص أشعة غاما النووية عن انتقال زخم الارتداد إلى الشبكة البلورية المحيطة بدلاً من انتقاله إلى النواة الباعثة أو الممتصة وحدها. عند حدوث ذلك، لا تُفقد أي طاقة غاما إلى الطاقة الحركية للنوى المرتدة عند طرفي انتقال غاما: يحدث الانبعاث والامتصاص عند نفس الطاقة، مما ينتج عنه امتصاص قوي ورنيني.

لقد دُرست تفاعلات الأشعة السينية مع الغازات، ولا سيما توهينها وتشتتها، منذ السنوات الأولى لأبحاث الأشعة السينية، وتم إثبات ظواهر امتصاص الأشعة السينية الخاصة بالعناصر في أوائل القرن العشرين ^{[ 1 ]} . وكان من المتوقع العثور على ظاهرة مماثلة لأشعة غاما ، التي اكتشفها بول أولريش فيلار عام 1900 ^{[ 2 ]} ، والتي تنتج عن الانتقالات النووية (على عكس الأشعة السينية، التي تنتج عادةً عن الانتقالات الإلكترونية ).

في عام ١٩٠٣، درس روبرت و. وود ظاهرة تألق بخار الصوديوم عند تعرضه لأشعة الشمس، وهي ظاهرة سبق أن درسها غوستاف هاينريش ويدمان . لاحظ وود أن طيف الامتصاص كان مشابهًا لطيف التألق. وتساءل وود عما إذا كان امتصاص بخار الصوديوم يتأثر بالتألق. وقد أُطلق على هذه الظاهرة لاحقًا اسم تألق الرنين . ^{[ ٢ ] [ ٣ ]}

في عام 1929، حاول الكيميائي فيرنر كون محاكاة ظاهرة التألق الرنيني باستخدام مصادر أشعة غاما ومادة ماصة. باءت التجربة بالفشل، لكنه مع ذلك نشر نتائجه. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 2 ]} ومع ذلك، وضع كون نظريته حول ثلاث خصائص: ^{[ 2 ]}

1. اتسعت خطوط إشعاع جاما الضيقة بفعل درجة الحرارة.
2. سيكون هناك تحول طفيف إضافي بسبب الارتداد الناتج عن تحلل بيتا في عينته.
3. تحول كبير بسبب ارتداد فوتون جاما.

نجح فيليب بيرتون مون في رصد تألق أشعة غاما عام 1950، مستخدمًا تأثير دوبلر النسبي لتعزيز الرنين. ^{[ 2 ]} وكان مون قد رصد تألق الرنين النووي . ^{[ 2 ]} وفي نفس الفترة تقريبًا، استخدم كارل جي. مالمفورس تنبؤ كون الأول لزيادة التداخل بين الباعث والمستقبل برفع درجة الحرارة عام 1952. وقد شابت نتائج كل من مون ومالمفورس أخطاء تجريبية كبيرة، ولم يكن بالإمكان استخدامها لتطوير تقنية قياس دقيقة. ^{[ 2 ]}

في عام ١٩٥٣، كان رودولف موسباور يدرس في جامعة ميونخ التقنية ، ويعمل في المختبر تحت إشراف هاينز ماير-لايبنيتز . وقد حسّن نتائج مالمفورس. بعد حصوله على درجة الماجستير، رأى موسباور أن العمل في درجات حرارة منخفضة جدًا سيكون أسهل من العمل في الأفران كما فعل مالمفورس. كان يتوقع أن يجد تداخلًا أقل وتأثيرًا مخففًا، إلا أن تألق الرنين ازداد عند درجات الحرارة المنخفضة. استنتج أنه كان يلاحظ انبعاثًا وامتصاصًا غير ارتداديين لفوتونات أشعة غاما. وقد وصف ذلك لاحقًا على النحو التالي: ^{[ ٢ ]}

هذا الموقف أشبه بشخص يقذف حجراً من قارب. تنتقل معظم الطاقة إلى الحجر، بينما يتحول جزء ضئيل منها إلى طاقة حركية للقارب المرتدّ. في فصل الصيف، يمتص القارب طاقة الارتداد هذه. أما إذا قذف الشخص الحجر في فصل الشتاء، والقارب متجمد في البحيرة، فإن معظم الطاقة تنتقل إلى الحجر المقذوف، ولا ينتقل إلى القارب إلا جزء ضئيل للغاية. وبالتالي، تمتص البحيرة بأكملها طاقة الارتداد، وتحدث هذه العملية كعملية عديمة الارتداد.

نشر نتائج بحثه مع أطروحته للدكتوراه عام ١٩٥٨. ^{[ ٢ ]} وسرعان ما أدرك أنه يستطيع تحسين هذه النتيجة باستخدام تأثير دوبلر وقرص دوار. فشرع في رسم طيف كامل للعينة، مخترعًا بذلك مطيافية موسباور ، التي نشرها في العام نفسه. ^{[ ٢ ]}

حصل موسباور على نصف جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1961 "لأبحاثه المتعلقة بامتصاص الرنين لأشعة جاما واكتشافه في هذا السياق للتأثير الذي يحمل اسمه"، وذهب النصف الآخر إلى روبرت هوفستاتر لأبحاثه حول تشتت الإلكترون في نوى الذرات. ^{[ 6 ]}

بشكل عام، تُنتَج أشعة غاما نتيجة انتقالات نووية من حالة غير مستقرة ذات طاقة عالية إلى حالة مستقرة ذات طاقة منخفضة. طاقة أشعة غاما المنبعثة تُعادل طاقة الانتقال النووي، مطروحًا منها مقدار الطاقة المفقودة نتيجة ارتدادها إلى الذرة المُصدرة. إذا كانت طاقة الارتداد المفقودة ضئيلة مقارنةً بعرض خط طاقة الانتقال النووي، فإن طاقة أشعة غاما تظل مُساوية لطاقة الانتقال النووي، ويمكن امتصاص أشعة غاما بواسطة ذرة ثانية من نفس النوع. يُسمى هذا الانبعاث والامتصاص اللاحق بالتألق الرنيني . تُفقد طاقة ارتداد إضافية أثناء الامتصاص، لذا لكي يحدث الرنين، يجب أن تكون طاقة الارتداد أقل من نصف عرض خط الانتقال النووي المُقابل.

يمكن إيجاد مقدار الطاقة في الجسم المرتدّ ( E _{_R ) من قانون حفظ الزخم:}

${\displaystyle |P_{\mathrm {R} }|=|P_{\mathrm {\gamma } }|\,}$

حيث P _{_R} هي زخم المادة المرتدة، و P _{_γ} هي زخم أشعة غاما. وبتعويض الطاقة في المعادلة نحصل على:

${\displaystyle E_{\mathrm {R} }={\frac {E_{\mathrm {\gamma } }^{2}}{2Mc^{2}}}}$

حيث E _R (0.002 إلكترون  فولت لـ ⁵⁷Fe ) هي الطاقة المفقودة نتيجة الارتداد، _و Eγ هي طاقة أشعة غاما (14.4 كيلو إلكترون  فولت لـ ⁵⁷Fe ), M (56.9354 دالتون  لـ ⁵⁷يمثل Fe كتلة الجسم المُشع أو المُمتص، و c سرعة الضوء . ^{[ 7 ]} في حالة الغاز، يكون الجسمان المُشع والمُمتص ذرات، لذا تكون الكتلة صغيرة نسبيًا، مما ينتج عنه طاقة ارتداد كبيرة، تمنع حدوث الرنين. (ينطبق نفس القانون على فقدان طاقة الارتداد في الأشعة السينية، ولكن طاقة الفوتون أقل بكثير، مما ينتج عنه فقد طاقة أقل، ولهذا السبب يمكن ملاحظة رنين الطور الغازي باستخدام الأشعة السينية).

في المواد الصلبة، ترتبط النوى بالشبكة البلورية ولا ترتد كما في الغازات. ترتد الشبكة ككل، لكن طاقة الارتداد ضئيلة لأن M في المعادلة أعلاه تمثل كتلة الشبكة بأكملها. مع ذلك، يمكن امتصاص الطاقة في الاضمحلال أو تزويدها عن طريق اهتزازات الشبكة. طاقة هذه الاهتزازات مُكمّمة في جسيمات شبهية تُعرف بالفونونات . يحدث تأثير موسباور لوجود احتمال محدود لاضمحلال لا يتضمن فونونات. بالتالي، في جزء من الأحداث النووية ( الجزء الخالي من الارتداد ، المُعطى بمعامل لامب-موسباور )، تعمل البلورة بأكملها كجسم مرتد، وتكون هذه الأحداث خالية من الارتداد بشكل أساسي. في هذه الحالات، ولأن طاقة الارتداد ضئيلة، تمتلك أشعة غاما المنبعثة الطاقة المناسبة، ويمكن أن يحدث الرنين.

بشكل عام (تبعاً لنصف عمر الاضمحلال)، تتميز أشعة غاما بعرض خطوط طيفية ضيق للغاية. وهذا يعني أنها شديدة الحساسية للتغيرات الطفيفة في طاقات الانتقالات النووية. في الواقع، يمكن استخدام أشعة غاما كأداة لدراسة تأثيرات التفاعلات بين النواة وإلكتروناتها، وكذلك تفاعلات ذراتها المجاورة. وهذا هو أساس مطيافية موسباور، التي تجمع بين تأثير موسباور وتأثير دوبلر لرصد هذه التفاعلات.

يمكن ملاحظة الانتقالات البصرية الصفرية الفونونية ، وهي عملية مشابهة بشكل وثيق لتأثير موسباور، في الكروموفورات المرتبطة بالشبكة عند درجات حرارة منخفضة.

• التحول المتماثل
• تجارب دوار موسباور
• مطيافية موسباور
• التحليل الطيفي النووي
• الارتباط الزاوي المضطرب
• تجربة باوند-ريبكا

• موسباور، ر.ل. (1958). "Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahlung in Ir ¹⁹¹ ". Zeitschrift für Physik (باللغة الألمانية). 151 (2): 124– 143. بيب كود : 1958ZPhy..151..124M . دوى : 10.1007/BF01344210 . S2CID 121129342 . 
• فراونفيلدر، هـ. (1962). تأثير موسباور . دبليو بنيامين . إل سي سي إن 61018181 . 
• إيجيس، ل. (1965). "فيزياء تأثير موسباور". المجلة الأمريكية للفيزياء . 33 (10): 790-802 . Bibcode : 1965AmJPh..33..790E . doi : 10.1119/1.1970986 .
• هيس، ج. (1973). "ترتيب بسيط لقياسات تأثير موسباور التعليمية". المجلة الأمريكية للفيزياء . 41 (1): 127-129 . Bibcode : 1973AmJPh..41..127H . doi : 10.1119/1.1987142 .
• نينيو، ف. (1973). "المذبذب التوافقي القسري وانتقال الصفر-فونون لتأثير موسباور" . المجلة الأمريكية للفيزياء . 41 (5): 648-649 . Bibcode : 1973AmJPh..41..648N . doi : 10.1119/1.1987323 .
• فانديرغريفت، ج.؛ فولتز، ب. (1998). "شرح تأثير موسباور". المجلة الأمريكية للفيزياء . 66 (7): 593-596 . Bibcode : 1998AmJPh..66..593V . doi : 10.1119/1.18911 .
• أدتونجي، ج.؛ درونسفيلد، أ. ت. (يوليو 2002). "بدايات مطيافية موسباور" . التعليم في الكيمياء .

• وسائط متعلقة بتأثير موسباور على ويكيميديا ​​كومنز