Der Mößbauereffekt

1  Grundlagen

Unter Mößbauereffekt versteht man den (bei Atomen gut bekannten) Effekt der Resonanzfluoreszenz, der hier Kernresonanzfluoreszenz genannt wird: g-Quanten, die von angeregten Kernen emittiert werden, können von Kernen der gleichen Isotopenart wieder resonant absorbiert werden, allerdings nur, wenn Quell- und Absorberkern in ein Kristallgitter eingebaut sind. In diesem Fall ist die Rückstoßenergie ER = [(E2)/(2Mc2)] ~ 10-20eV. (E ist die Photonenenergie, M die Masse des Festkörpers) klein gegen die durch die endliche Lebensdauer des angeregten Niveaus bedingte Linienbreite von etwa 10-8eV. Bei der Emission eines g-Quants am freien Atom wäre ER ~ 10-3eV. Das bedeutet, im Festkörper kann die Rückstoßenergie im Vergleich mit der Linienbreite vernachlässigt werden, während sie am freien Atom die Resonanzbedingung zerstört. Es können jedoch bei der Emission eines g-Quants aus dem Festkörper Gitterschwingungen angeregt werden, wodurch ebenfalls die Resonanzbedingung nicht erfüllt werden kann.
Ein gewisser Anteil f der g Quanten (gegeben durch den sog. Debye-Waller-Faktor) wird ohne Anregung von Gitterschwingungen, d.h. mit natürlicher Linienbreite emittiert bzw. absorbiert. Mit Hilfe der Mößbauerspektroskopie kann man daher die Hyperfeinwechselwirkung des Kerns mit seiner Umgebung (typische Energie ca. 10-7eV ausmessen, indem man die Energie der von der Quelle emittierten g-Quanten mittels Dopplerffekt variiert, d.h. die Quelle relativ zum Absorber bewegt. Der Versuchsaufbau wird in untenstehender Grafik (links) dargestellt.

2  Versuchsaufbau

Die Relativbewegung zwischen der Quelle und dem Absorber erfolgt dadurch, dass die Quelle mit der Schwingspule eines Lautsprecherantriebs (MB-Antrieb) verbunden ist. Eine Regelschaltung (MB-Regelverstärker + Funktionsgenerator) bewirkt eine periodische Bewegung der Schwingspule mit "konstanter Beschleunigung" (alternierend positiv und negativ), also mit periodisch ab- bzw. zunehmender Geschwindigkeit v(t) (s. Grafik rechts). Die g-Quanten werden in einem Detektor (Proportionalzählrohr bzw.Na 5 (tl)-Szintillator mit Photomultiplier) nachgewiesen, das Signal verstärkt sich mit einem Einkanaldiskriminator wird ein Energieintervall um die Resonanzenergie selektiert. Die g-Quanten mit passender Energie werden in einem Vielkanalanalysator gezählt, der mit dem MB-Antrieb synchronisiert wird. So lässt sich in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zwischen Quelle und Absorber ein Resonanzspektrum messen.
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Figure 1: Experimenteller Aufbau (links) und Verlauf der Geschwindigkeit der Quelle (rechts)

3  Ziel des Versuchs

Der Versuch besteht aus den vorbereitenden Messungen (Energie-Eichung des g-Detektors, Messung der Energieauflösung des Detektors, Geschwindigkeitseichung des Mößbauerantriebs) und den eigentlichen Mößbauermessungen. Aus diesen könnten unter anderem folgende Größen bestimmt werden:


4   Literatur


G. Schatz, A. Weidinger, Nukleare Festkörperphysik, Kap. 2-4, B.G. Teubner, Stuttgart 1985
Grundlagen sehr kompakt und übersichtlich dargestellt


H. Wegener, Der Mößbauereffekt und seine Anwendung in Physik und Chemie, Kap. I, IV, V, BI Hochschultaschenbücher, Mannheim 1966
Das Standardwerk, praktisch vollständig und sehr ausführlich, auch bei theoretischen Herleitungen


Mößbauer Spectroscopy; Editor: U. Gonser, Topics in Applied Physics Vo.5; Springer Verlag 1975
Im Umfang zwischen den beiden obengenannten Werken angesiedelt


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