Mößbauer-Effekt
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Unter dem Mößbauer-Effekt (nach dem Entdecker Rudolf Mößbauer, durch Rückübersetzung aus dem Englischen fälschlich auch Mössbauer-Effekt geschrieben) versteht man die rückstoßfreie Emission oder Absorption eines Gamma-Quants durch einen Atomkern. Dazu muss sich der Kern in einem Kristallgitter befinden, das den Rückstoß aufnehmen kann und durch seine große Masse dem Gamma-Quant kaum Energie entzieht (elastischer Stoß). Kombiniert man Emission und Absorption, erhält man eine extrem empfindliche Messmethode für die Energieänderung der Quanten. Rudolf Mößbauer erhielt für seine Entdeckung 1961 den Nobelpreis für Physik.
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Die Natur der Gammastrahlung
Seit Beginn des 20. Jahrhunderts kennen Physiker die Gammastrahlung als einen Bestandteil der Radioaktivität. Als Entdecker gelten Antoine Becquerel und Paul Villard, wobei letzterer um 1900 nachweisen konnte, dass es sich bei der Gammastrahlung um extrem energiereiche elektromagnetische Wellen handelt. Gammastrahlung entsteht häufig in Folge eines Alpha- oder Betazerfalls, wenn der sich Atomkern in einem angeregten Zustand befindet.
Die Emission des Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Quants verändert den Kern dabei nicht, d.h. anders als beim Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \alpha - oder ß-Zerfall findet keine Umwandlung in ein anderes Element oder Isotop statt. Lediglich die im Kern gespeicherte Energie wird als Strahlungsquant abgegeben, genau wie auch angeregte Atome ihre Energie in Form von Lichtquanten abgeben. Atomkerne im Grundzustand können ein Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Quant auch absorbieren, wodurch sie wieder in den angeregten Zustand übergehen.
Aus theoretischen Überlegungen folgerte man früh, dass die von den meisten Kernen emitierte Gammastrahlung sich durch sehr scharfe Energieniveaus gekennzeichnet ist und somit eine sehr geringe Linienbreite haben muss. Man kann Atomkerne auch mit einem Schwingquarz vergleichen, der nur mit einer bestimmten Frequenz angeregt werden kann. Tatsächlich ist die Energiekonstanz (und damit die Frequenzgenauigkeit) vieler Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Strahlungsübergänge vergleichbar mit der Genauigkeit von Atomuhren.
Die Ausgangssituation vor Mößbauer
Leider war die theoretisch vorausgesagte spektrale Reinheit der Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Strahlung vor den von Mößbauer gemachten Entdeckungen praktisch nutzlos. Aufgrund der hohen Energie der Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Quanten, kann man deren Frequenz nur recht grob durch kalorimetrischen Methoden bestimmen. Ein elektronischer Frequenzzähler funktioniert im Frequenzbereich der Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Strahlung leider nicht mehr.
Erschwerend kommt hinzu, dass der Kern beim Aussenden eines Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Quants einen nicht zu vernachlässigen Rückstoß erfährt. Dies liegt in der hohen Energie der Quanten begründet, die zwar wie alle Photonen masselos sind, aber durchaus einen von Null verschiedenen Impuls besitzen. Der auf den Kern wirkende Rückstoß wird der Energie des Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Quants abgezogen, auch erklärbar durch die Doppler-Frequenzverschiebung des sich nun bewegenden Kerns. Soll nun ein Kern das von einem anderen Kern emitierte Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Quant wieder absorbieren, so ist dies eigentlich nur dann möglich, wenn zuvor beide Kerne genau mit der doppelten Rückstoßgeschwindigkeit aufeinander zugeflogen sind (doppelt, weil auch bei der Absorption ein gleich starker Rückstoß erfolgt).
Mößbauers Experiment
Mößbauer wollte im Rahmen seiner Dissertation die Wahrscheinlichkeit für eine solche Emission und anschließende Absorption eines Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Quants ermitteln. Die Vorrausetzung, dass die beiden beteiligten Kerne sich mit der richtigen Geschwindigkeit aufeinander zubewegen, sollte durch die Wärmebewegung der Atome erfüllt werden.
Hier der schematische Versuchsaufbau seines Experimentes:
Auf der linken Seite befindet sich eine radioaktive Quelle für Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Strahlen. Einige der Strahlen treffen rechts auf einen Absorber, der die gleichen Atome wie die Quelle enthält, diese sind jedoch von sich aus nicht radioaktiv. Wird nun ein Kern im Absorber von einem Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Photon getroffen, so kann, falls oben genannte Vorraussetzung erfüllt ist, das Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Photon zum Detektor hin gestreut werden. Der direkte Weg der Strahlung zum Detektor wird durch eine Abschirmung aus Blei blockiert.
Die Temperatur von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen ist korreliert mit der Geschwindigkeit der Teilchen (Atome, Moleküle) in denselben. Je höher die Temperatur um so schneller bewegen sich im Mittel die Teilchen. Allerdings sind dabei nicht alle Teilchen gleich schnell, sondern die Geschwindigkeiten sind statistisch verteilt, ebenso wie die Bewegungsrichtungen der Teilchen.
Mößbauer erwartete, dass mit steigender Temperatur die Wahrscheinlichkeit für eine Emission und anschließende Absorption eines Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Quants ansteigen sollte, da sich statistisch gesehen mehr Atome mit der richtigen Geschwindigkeit aufeinander zubewegen. Umgekehrt sollte sich bei sehr niedrigen Temperaturen die Wahrscheinlichkeit für diesen Vorgang nahezu auf Null verringern, da die Atome im Mittel so langsam sind, dass die erforderlich Geschwindigkeitsdifferenz kaum einmal erreicht wird.
Das zunächst überraschende Ergebnis
Die ersten Messungen nahe der Zimmertemperatur und darüber schienen Mößbauers Erwartungen zunächst zu bestätigen. Als er jedoch aus Neugier begann Quelle und Absorber abzukühlen, stellte er überraschend fest, dass die Wahrscheinlichkeit für die Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Emission/Absorption bei tiefen Temperaturen plötzlich wieder steil anstiegen und zwar über das Maß hinaus, welches bei höheren Temperaturen gemessen worden war.
Was war geschehen ?
Mößbauer führte seine Experimente an Festkörpern durch. In diesen oszillieren die Atome um ihre Ruhepositionen im Kristallgitter (bei steigender Temperatur mit zunehmender Amplitude). Jedoch sind aufgrund der Quantenmechanik nicht alle Schwingungszustände erlaubt, sondern nur diskrete Energiezustände (Phononen). Aus diesme Grund kann der Kern bei der Emission und Absorption eines Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Quants keinen beliebigen starken Impuls in Form von Schwingungsenergie abgeben. Da die Aufnahme und Abgabe der Schwingungsenergie gequantelt ist, besteht eine bestimmte Wahrscheinlichkeit (gegeben durch den sog. Debye-Waller-Faktor), dass das Atom keine Schwingungsenergie erzeugt und seinen Rückstoßimpuls an das gesamte Kristallgitter(*) übertragen kann. Da dessen Masse die des Kerns wesentlich übersteigt, erfolgen Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma -Emission und Absorption in diesem Fall rückstoßfrei.
- Anmerkung: Der Bereich des Kristallgitters, der Rückstoßenergie aufnehmen kann ergibt sich grob aus dem Volumen der Kugel, deren Radius der Entfernung entspricht, die der Schall in diesem Gitter während der mittleren Lebensdauer des Parser-Fehler (Das texvc-Programm kann nicht gefunden werden. Bitte beachten Sie math/README.): \gamma
-Übergangs zurücklegen kann.
Anwendungen des Mößbauereffekts
Durch den Mößbauer-Effekt ergeben sich völlig neuartige Messverfahren auf den Gebieten der Festkörperphysik, Materialforschung und Chemie. Des weiteren können auch Vorhersagungen der allgemeinen Relativitätstheorie mit diesem Effekt untersucht werden. So wurde 1962 in einem Mößbauer-Experiment von Robert Pound und Glen Rebka festgestellt, dass wenn sich Quelle und Absorber in rund 20 m Abstand senkrecht voneinander entfernt befinden, das Gravitationspotential der Erde zu einer meßbaren Energieänderung der Quanten beim Durchlaufen des Höhenunterschiedes führt.
Die vielfältigsten Anwendungen findet der Mößbauer-Effekt heute in der Chemie. Da die Ausprägung der Elektronenhülle eines Moleküls geringfügig auf die Energieniveaus der Anregungszustände seiner Atomkerne zurückwirkt, hat sich der Mößbauer-Effekt zu einem unersetzlichen Instrument in der chemischen Analyse entwickelt (siehe hierzu: Mößbauer-Spektroskopie).
Weblinks
[1] (http://www.physnet.uni-hamburg.de/ex/html/fprakt/k/moessb/), [2] (http://www.physik.uni-karlsruhe.de/3Block1.php/Studium/F-Praktika/Downloads/Moessbauereffekt.pdf), [3] (http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/versuche/09photmasse/photmasse.htm)
Dieser Artikel basiert auf dem gleichnamigen Artikel vom 29. Dez. 2004 (http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=M%C3%B6%C3%9Fbauer-Effekt&oldid=3856727) der Wikipedia (http://de.wikipedia.org), die hiesige Versionshistorie ist eine Fortsetzung der Wikipedia-Artikel-Historie (http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=M%C3%B6%C3%9Fbauer-Effekt&action=history). |
