メスバウアー効果

メスバウアー効果（無反跳核共鳴蛍光）は、1958年にルドルフ・メスバウアーによって発見された物理現象です。これは、固体中に結合した原子核による共鳴かつ反跳のないガンマ線の放出と吸収を伴います。主な応用はメスバウアー分光法です。

メスバウアー効果では、反跳運動量が放出核または吸収核のみではなく周囲の結晶格子に伝達されることにより、核のガンマ線放出と吸収の狭い共鳴が生じます。この共鳴が起こると、ガンマ線遷移の放出端または吸収端のいずれにおいても、反跳核の運動エネルギーによってガンマ線エネルギーが失われることはありません。放出と吸収は同じエネルギーで起こり、強い共鳴吸収が生じます。

歴史

X線と気体との相互作用、特にその減衰と散乱は、X線研究の初期の頃から研究されており、元素特有のX線吸収現象は20世紀初頭に確立されていた[ 1 ] 。原子核遷移によって生成されるガンマ線（通常は電子遷移によって生成されるX線とは対照的）でも同様の現象が見つかると予想されていた。しかし、気体中のガンマ線によって生成される核共鳴を観測する試みは、反跳によってエネルギーが失われ共鳴を妨げるため失敗した（ドップラー効果によってもガンマ線スペクトルが広がる）。メスバウアーは固体イリジウムの原子核で共鳴を観測し、なぜガンマ線共鳴は固体では可能で気体では不可能なのかという疑問を提起した。メスバウアーは、固体に結合した原子の場合、特定の状況下では核イベントの一部が本質的に反跳なく発生する可能性があると提案した。彼は観測された共鳴が核事象のこの反跳のない部分によるものだと考えた[ 2 ]。

メスバウアー効果は、物理学における最後の大きな発見の一つであり、ドイツ語で最初に報告されました。[ 3 ] [ 4 ]英語での最初の報告は、実験の独立した繰り返しを記述した2通の手紙でした。[ 5 ] [ 6 ]

この発見は、ロバート・ホフスタッターの原子核における 電子散乱の研究とともに、1961 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

説明

57 Feのメスバウアー吸収スペクトル

一般に、ガンマ線は不安定な高エネルギー状態から安定した低エネルギー状態への原子核遷移によって生成されます。放出されるガンマ線のエネルギーは、原子核遷移のエネルギーから、放出原子への反跳として失われるエネルギー量を差し引いた値に対応します。失われる反跳エネルギーが原子核遷移のエネルギー線幅に比べて小さい場合、ガンマ線エネルギーは依然として原子核遷移のエネルギーに対応しており、ガンマ線は最初の原子と同じ種類の2番目の原子によって吸収される可能性があります。この放出とそれに続く吸収は共鳴蛍光と呼ばれます。吸収中に追加の反跳エネルギーも失われるため、共鳴が発生するためには、反跳エネルギーが実際には対応する原子核遷移の線幅の半分未満である必要があります。

反跳する物体のエネルギー量（E R）は運動量保存則から求めることができます。

|PR|＝|Pγ|{\displaystyle |P_{\mathrm {R} }|=|P_{\mathrm {\gamma } }|\,}

ここで、P Rは反跳物質の運動量、P γ はガンマ線の運動量です。この式にエネルギーを代入すると、次の式が得られます。

ER＝Eγ22Mc2{\displaystyle E_{\mathrm {R} }={\frac {E_{\mathrm {\gamma } }^{2}}{2Mc^{2}}}}

ここで、E R (0.002  eVの場合57Fe ) は反跳エネルギーとして失われるエネルギー、E γはガンマ線のエネルギー（14.4  keVの場合57Fe )、M (56.9354  Da用57Fe ) は放射体または吸収体の質量、cは光速です。[ 7 ]気体の場合、放射体と吸収体は原子であるため、質量が比較的小さく、反跳エネルギーが大きくなり、共鳴が妨げられます。（X線における反跳エネルギー損失にも同じ式が適用されますが、光子エネルギーははるかに小さいため、エネルギー損失も少なくなります。これが、X線で気相共鳴が観測される理由です。）

固体では、原子核は格子に束縛されており、気体の場合のように反跳しません。格子全体が反跳しますが、上式のMは格子全体の質量なので、反跳エネルギーは無視できます。ただし、崩壊のエネルギーは格子の振動によって吸収または供給されます。これらの振動のエネルギーは、フォノンと呼ばれる準粒子に量子化されます。メスバウアー効果は、フォノンを伴わない崩壊の確率が有限であるために発生します。したがって、原子核イベントの一部（ラム・メスバウアー因子で与えられる無反跳分率）では、結晶全体が反跳体として機能し、これらのイベントは基本的に無反跳です。これらの場合、反跳エネルギーは無視できるため、放出されるガンマ線は適切なエネルギーを持ち、共鳴が発生する可能性があります。

一般的に（崩壊の半減期にもよりますが）、ガンマ線の線幅は非常に狭いです。つまり、ガンマ線は原子核遷移のエネルギーの小さな変化に非常に敏感です。実際、ガンマ線は原子核とその電子、そして隣接する電子との相互作用の影響を観測するためのプローブとして用いることができます。これがメスバウアー分光法の基礎であり、メスバウアー効果とドップラー効果を組み合わせてこのような相互作用を観測します。

メスバウアー効果に非常に類似したプロセスであるゼロフォノン光学遷移は、低温での 格子結合色素分子で観測できます。

参照

参考文献

  1. ^ Assmus, Alexi (1995). 「X線の初期の歴史」(PDF) . SLACビームライン. 25N2 .
  2. ^プリンチピ、ジョヴァンニ (2020). 「メスバウアー効果：ロマンチックな科学的ページ」 .金属. 10 (9): 992. doi : 10.3390/met10080992 .
  3. ^メスバウアー、RL (1958)。 「Ir191におけるガンマストラルングによるケルン共鳴吸収」。Z. Physik (ドイツ語)。151 (1): 124–143。Bibcode : 1958ZPhy..151..124M。土井：10.1007/BF01344210。
  4. ^メスバウアー、RL (1959)。「Ir191におけるγ-シュトラールングによるケルン共鳴吸収」。Z.ナトゥールフォルシュ。 A（ドイツ語で）。14 (3): 211–215。ビブコード: 1959ZNatA..14..211M。土井: 10.1515/zna-1959-0303。
  5. ^ Craig, P.; Dash, J.; McGuire, A.; Nagle, D.; Reiswig, R. (1959). 「Ir191におけるガンマ線の核共鳴吸収」 . Physical Review Letters . 3 (5): 221. Bibcode : 1959PhRvL...3..221C . doi : 10.1103/PhysRevLett.3.221 .
  6. ^ Lee Jr., LL; Meyer-Schutzmeister, L.; Schiffer, JP; Vincent, D. (1959). 「低温におけるガンマ線の核共鳴吸収」. Physical Review Letters . 3 (5): 223. Bibcode : 1959PhRvL...3..223L . doi : 10.1103/PhysRevLett.3.223 .
  7. ^ Nave, CR (2005). 「鉄57のメスバウアー効果」 . HyperPhysics .ジョージア州立大学. 2010年6月7日閲覧。

さらに読む

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