뫼스바우어 효과 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}

'''뫼스바우어 효과'''(Mössbauer effect) 또는 '''무반동 핵 공명 형광'''(recoilless nuclear resonance fluorescence)은 1958년 [[루돌프 뫼스바우어]](Rudolf Mössbauer)에 의하여 발견된 물리 현상이다. 이것은 고체에 결합된 원자핵에 의한 [[감마선]]의 공진 및 반동 없는 방출 및 흡수를 포함한다. 주요 응용 분야는 [[뫼스바우어 분광학]]이다.

뫼스바우어 효과에서 핵 감마 방출 및 흡수에 대한 좁은 [[공명]] 현상은 반동의 운동량이 핵 단독에 의하여 방출 또는 흡수되지 않고 주위의 [[브라베 격자|결정 격자]]로 전달되기 때문에 발생한다. 이것이 발생하면 감마 전이의 방출 또는 흡수 스펙트럼 말단에서 반동하는 핵의 운동 에너지로 손실되는 [[감마선|감마 에너지]]가 없으므로, 감마선의 방출 및 흡수가 동일한 에너지에서 발생하여 강하고 공명하는 흡수가 초래된다.

== 역사 ==
가스에 의한 [[엑스선|X선]]의 방출 및 흡수는 이전에도 관찰되었으며, 전자의 전이에 의하여 방출되는 X선과 달리 [[원자핵|핵]] 전이에 의해 생성되는 [[감마선]]에 대해서도 유사한 현상이 발견될 것으로 예상되었다. 그러나 가스에서 감마선에 의해 생성되는 핵 공명을 관찰하려는 시도는 반동으로 인해 손실되는 에너지로 인해 공명이 방지되어 결국 실패하였다([[도플러 효과]]에 의하여 감마선 스펙트럼의 폭도 넓어짐). 뫼스바우어는 고체 [[이리듐]]의 핵에서 공명을 관찰할 수 있었는데, 이는 감마선 공명이 고체에서는 가능하지만 기체에서는 불가능한 이유에 대한 질문을 제기했다. 뫼스바우어는 고체에 결합된 원자의 경우 특정 상황에서 핵 사건의 일부가 본질적으로 반동 없이 발생할 수 있다고 제안했다. 그는 관측된 공명을 반동없이 발생하는 일부의 핵 사건에서 기인하는 것으로 보았다.

뫼스바우어 효과는 물리학에서 독일어에 의하여 최초로 보고된 마지막 주요 발견 중 하나이다. 영어로 된 첫 번째 보고서는 이 실험의 반복을 설명하는 편지였다.<ref>
{{저널 인용|제목=Nuclear Resonance Absorption of Gamma Rays in Ir<sup>191</sup>|url=https://archive.org/details/sim_physical-review-letters_1959-09-01_3_5/page/n13|저널=[[Physical Review Letters]]|성=Craig|이름=P.|성2=Dash|이름2=J.|연도=1959|권=3|호=5|쪽=221|bibcode=1959PhRvL...3..221C|doi=10.1103/PhysRevLett.3.221|성3=McGuire|이름3=A.|성4=Nagle|이름4=D.|성5=Reiswig|이름5=R.}}</ref>

이 발견은 [[로버트 호프스태터]](Robert Hofstadter)의 원자핵 내 전자 산란 연구와 함께 1961년 [[노벨 물리학상]]을 수상했다.

== 설명 ==
[[파일:MössbauerSpectrum57Fe.svg|오른쪽|섬네일|250x250픽셀| <sup>57</sup> Fe의 뫼스바우어 흡수 스펙트럼]]
일반적으로 감마선은 불안정한 고에너지 상태에서 안정적인 저에너지 상태로의 핵 전이에 의해 생성된다. 방출된 감마선의 에너지는 핵 전이 에너지에서 방출 원자에 대한 반동으로 손실되는 에너지의 양을 뺀 값에 해당한다. 손실된 반동 에너지가 핵 전이의 에너지 선폭에 비해 작으면 감마선 에너지는 여전히 핵 전이의 에너지에 해당하며 감마선은 첫 번째 원자와 같은 유형의 두 번째 원자에 흡수될 수 있다. 이 방출 및 후속 흡수를 [[공명]] [[형광]]이라고 한다. 추가 반동 에너지도 흡수 중에 손실되므로 공명이 발생하려면 반동 에너지가 실제로 해당 핵 전이에 대한 선폭의 절반 미만이어야 한다.

반동체의 에너지 양({{수학|''E''<small>{{sub|R}}</small>}})은 운동량 보존에서 찾을 수 있다.

: <math>|P_\mathrm{R}| = |P_\mathrm{\gamma}| \,</math>

여기서 PR은 반동하는 물질의 운동량이고, {{수학|''P''<small>{{sub|R}}</small>}} {{수학|''P''{{sub|γ}}}} 감마선의 운동량이다. 방정식에 에너지를 대입하면 아래 식이 주어진다.

: <math>E_\mathrm{R} = \frac{E_\mathrm{\gamma}^2}{2Mc^2}</math>

여기서, {{수학|''E''<small>{{sub|R}}</small>}} ({{SimpleNuclide2|Fe|57}}에 대하여 0.002 eV)는 반동으로 손실된 에너지, {{수학|''E''{{sub|γ}}}}는 감마선의 에너지({{SimpleNuclide2|Fe|57}}에 대하여 {{Val|14.4}} keV), {{수학|''M''}} ({{SimpleNuclide2|Fe|57}}에 대하여 {{Val|56.9354}} u)는 방출체 또는 흡수체의 질량, ''c''는 [[빛의 속력|광속]]이다.<ref>{{웹 인용|url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/mossfe.html|제목=Mössbauer Effect in Iron-57|성=Nave|이름=C.R.|연도=2005|웹사이트=[[HyperPhysics]]|출판사=[[Georgia State University]]|확인날짜=7 June 2010}}</ref> 기체의 경우 방출체와 흡수체가 원자이기 때문에 질량이 상대적으로 작기 때문에 반동 에너지가 커서 공진을 방해한다. (X선의 반동 에너지 손실에도 동일한 방정식이 적용되지만 광자 에너지가 훨씬 적어 에너지 손실이 더 적기 때문에, X선으로 기체상 공명을 관찰할 수 있다)

고체에서 핵은 격자에 결합되어 기체에서와 같은 방식으로 반동하지 않는다. 격자 전체가 반동하지만 위 방정식의 {{수학|''M''}} 이 전체 격자의 질량이기 때문에 반동 에너지는 무시할 수 있다. 그러나 붕괴의 에너지는 격자 진동에 의해 흡수되거나 공급될 수 있다. 이러한 진동의 에너지는 [[포논]]으로 알려진 단위로 양자화된다. 뫼스바우어 효과는 포논이 포함되지 않은 붕괴가 발생할 확률이 유한하기 때문에 발생한다. 따라서 핵 사건의 일부(램-뫼스바우어 계수에 의해 주어진 '''반동 없는 비율''')에서 전체 수정이 반동체로 작용하며 이러한 사건은 본질적으로 반동이 없다. 이러한 경우 반동 에너지는 무시할 수 있으므로 방출되는 감마선은 적절한 에너지를 가지며 공진이 발생할 수 있다.

일반적으로 (감쇠 반감기에 따라) 감마선은 선폭이 매우 좁다. 이것은 그들이 핵 전이 에너지의 작은 변화에 매우 민감하다는 것을 의미한다. 사실, 감마선은 핵과 전자 및 그 이웃의 전자 사이의 상호 작용 효과를 관찰하는 프로브로 사용할 수 있다. 이는 뫼스바우어 효과와 [[도플러 효과]]를 결합하여 이러한 상호 작용을 모니터링하는 [[뫼스바우어 분광학]]의 기초이다.

모스바우어 효과와 매우 유사한 과정인 [[제로-포논 광학 전이]](zero-phonon optical transition)는 저온에서 격자 결합된 발색단(chromophore)에서 관찰될 수 있다.

== 같이 보기 ==
* 이성질체 이동
* [[뫼스바우어 분광학]]
* 섭동된 각 상관 관계
* 핵 분광법
* 파운드-렙카 실험
* 뫼스바우어 로터 실험

== 각주 ==
{{각주}}

== 추가 자료 ==
* {{저널 인용|제목=Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahlung in Ir<sup>191</sup>|저널=[[Zeitschrift für Physik A]]|성=Mössbauer|이름=R. L.|연도=1958|권=151|호=2|쪽=124&ndash;143|언어=de|bibcode=1958ZPhy..151..124M|doi=10.1007/BF01344210}}
* {{서적 인용|url=https://archive.org/details/mssbauereffec00frau|제목=The Mössbauer Effect|성=Frauenfelder|이름=H.|연도=1962|출판사=[[W. A. Benjamin]]|lccn=61018181}}
* {{저널 인용|제목=Physics of the Mössbauer Effect|저널=[[American Journal of Physics]]|성=Eyges|이름=L.|연도=1965|권=33|호=10|쪽=790–802|bibcode=1965AmJPh..33..790E|doi=10.1119/1.1970986}}
* {{저널 인용|제목=Simple Arrangement for Educational Mössbauer-Effect Measurements|저널=[[American Journal of Physics]]|성=Hesse|이름=J.|연도=1973|권=41|호=1|쪽=127–129|bibcode=1973AmJPh..41..127H|doi=10.1119/1.1987142}}
* {{저널 인용|제목=The Forced Harmonic Oscillator and the Zero-Phonon Transition of the Mössbauer Effect|저널=[[American Journal of Physics]]|성=Ninio|이름=F.|연도=1973|권=41|호=5|쪽=648–649|bibcode=1973AmJPh..41..648N|doi=10.1119/1.1987323}}
* {{저널 인용|제목=The Mössbauer effect explained|저널=[[American Journal of Physics]]|성=Vandergrift|이름=G.|성2=Fultz|이름2=B.|저자링크2=Brent Fultz|연도=1998|권=66|호=7|쪽=593–596|bibcode=1998AmJPh..66..593V|doi=10.1119/1.18911}}
* {{저널 인용|제목=The beginnings of Mössbauer spectroscopy|저널=[[Education in Chemistry]]|성=Adetunji|이름=J.|성2=Dronsfield|이름2=A. T.|url=http://www.rsc.org/Education/EiC/issues/2002July/july2002Adetunji.asp|날짜=July 2002|권=|호=|쪽=|doi=}}

== 외부 링크 ==
* {{위키공용-줄}}

{{전거 통제}}

[[분류:물리 현상]]
[[분류:핵물리학]]
[[분류:응집물질물리학]]