Mössbauerin ilmiö

Mössbauerin ilmiöllä tarkoitetaan kahden samanlaisen atomiytimen, lähteen ja absorbaattorin, välistä rekyylitöntä gammakvantin emissiota ja absorptiota eli gammaresonanssia.

Gammaresonanssissa lähde on virittyneessä tilassa oleva atomiydin, joka rekyylittömästi emittoi gammakvantin eli fotonin. Absorbaattori on samanlainen, mutta perustilassa oleva atomiydin, joka rekyylittömästi absorboi siihen törmäävän fotonin ja virittyy. Rudolf Mößbauer sai ilmiön selittämisestä Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1961.

Mössbauerin ilmiötä esiintyy noin kolmanneksella alkuaineista. Etenkin raudalla, ja väheisemmässä määrin tinalla, sitä on käytetty apuna näiden aineiden kemian tutkimiseen.

Kvanttiteorian mukaan perustilassa oleva atomiydin pystyy absorboimaan siihen törmäävän fotonin, jos tällä atomiytimellä on sellainen viritetty tila, jonka viritysenergia W on sama kuin fotonin energia. Tämä tosin pätee vain, jos ytimen massa oletetaan äärettömäksi; todellisuudessa liikemäärän säilymislain takia osa fotonin energiasta menee rekyylinä ytimen liike-energiaksi.

Kun kirjoitetaan liikemäärän ja energian säilymislait, saadaan yhtälöryhmä (olettaen, että ytimen massa ei muutu reaktiossa)

$\left\{{\begin{array}{ll}mv+{\frac {hf}{c}}=mv'\\-{\frac {1}{2}}mv^{2}+hf={\frac {1}{2}}m'v'^{2}+W,\end{array}}\right.$

missä $\scriptstyle m$ ja $\scriptstyle v$ ovat ytimen massa ja alkunopeus, $\scriptstyle v'$ ytimen loppunopeus, $\scriptstyle W$ ytimen saama viritysenergia, $\scriptstyle c$ valon nopeus, $\scriptstyle f$ fotonin taajuus ja $\scriptstyle h$ Planckin vakio.

Jos ytimen ja fotonin nopeudet ovat samansuuntaiset, yhtälöparista voidaan ratkaista viritysenergia

$W=hf\left(1-{\frac {1}{2}}{\frac {hf}{mc^{2}}}-{\frac {v}{c}}\right)$.

Jotta ydin saataisiin viritettyä, on rekyylihäviön yleensä oltava pieni. Mößbauer ratkaisi ongelman vuonna 1958 käyttämällä kidehilaan sidottua radioaktiivista isotooppia. Tällöin rekyyli tulee koko kiteelle, jonka massa on huomattavasti ytimen massaa suurempi, ja rekyylihäviö on täten pieni.

Mössbauerin ilmiö on Mössbauerspektroskopian eli gammaresonanssispektroskopian perusta.

Lähteet

• Lennart Simons (1970): Fysiikka korkeakouluja varten. WSOY

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Mössbauerin ilmiö Wikimedia Commonsissa