El efecto Mössbauer

La energía ni se crea ni se destruye solo se transforma. Pregunta a tu abuela, a tu primo o incluso al panadero, seguro que es así como enuncian el principio de conservación de la energía. Ahora pregúntales sobre la conservación del momento lineal; seguro que esa no se la sabían y no es de extrañar ya que para conocerlo deben, al menos, haber cursado alguna asignatura de física durante el instituto.

LEGÓ EL MOMENTO
Llegó el momento

El momento lineal o cantidad de movimiento es una magnitud que se define como la masa multiplicada por la velocidad de un objeto. Para que os hagáis una idea, si una bola de bolos y una de ping-pong se mueven a la misma velocidad ¿Cómo podemos distinguir matemáticamente cuál es cuál? Por su momento lineal .

momento

Resulta que esta cantidad también se conserva, como la energía. Si tenemos una bola de billar que choca contra otra, la suma de los momentos lineales de las 2 bolas antes y después del choque debe ser la misma. Además, si a parte del momento lineal  se conserva la energía decimos que el choque ha sido elástico, en caso de que no se conserve la energíatendremos uno inelástico. La mayoría de los choques a los que estamos acostumbrados son inelásticos ya que parte de la energía se emplea en calentar o deformar los objetos que participan en la colisión. Por ejemplo en el choque de dos automóviles, la energía se invierte en deformar la carrocería.

billar
Por la conservación del momento lineal \vec{p}_{blanca}=\vec{p}_{roja}+\vec{p}_{verde} ya que antes del choque las bolas verde y roja están paradas y tras el choque la bola blanca se para.

Si alguna vez has visto como se dispara una escopeta habrás observado que hay un retroceso, al apretar el gatillo hay una fuerza que te empuja para atrás. Este retroceso es consecuencia de la conservación del momento lineal. Antes del disparo la bala esta en reposo, al apretar el gatillo la bala se mueve hacia adelante, por lo que el arma tiene que moverse hacia atrás.

bpv2mp1

Estas mismas leyes de conservación también se aplican a núcleos atómicos y átomos. Imagina que tenemos un gas compuesto por unos cuántos átomos y que los núcleos de esos átomos están en un estado excitado por lo que pueden emitir rayos γ. El proceso es muy similar al de disparar un arma. El rayo γ sale en un dirección, como la bala y el núcleo atómico sufre un retroceso. Pero la energía del rayo γ no será exactamente la del núcleo excitado porque parte de esa energía se ha empleado en el retroceso. Si ahora los átomos forman un sólido cristalino en vez de un gas los núcleos ya no sufren retroceso porque están fijados por los enlaces atómicos, sin embargo si pueden vibrar. Cada vez que un rayo γ es emitido la energía del retroceso se reparte en hacer vibrar todos los núcleos del sólido. Es como si cada núcleo fuese una pequeña pistola con un cascabel y cada vez que disparásemos sonaran todos los cascabeles.

lattice gamma no recoil
Paco oye los ”cascabeles vibrar” debido al retroceso al emitir rayos gamma.

 

Pero en 1960 el físico alemán Rudolf Mössbauer descubrió algo sorprendente. Mientras estudiaba muestras de Iridio 191 se dio cuenta de que la energía de los rayos γ emitidos por esos núcleos tenían exactamente la misma que la energía del núcleo en el estado excitado. Esto quería decir que la energía y el momento se conservaban, nada era transferido al resto de núcleos atómicos. Esto es alucinante  porque lo que estaba pasando es como si disparásemos una de nuestras pistolas enganchadas a un cascabel y no sonase absolutamente  nada.

Mossbauer
Rudolf Mössbauer

Pero aún había más, si se ponían 2 muestras de Iridio 191 una en frente de la otra y una de ellas emitía rayos γ, la otra los podía absorber sin que nada de la energía ni del momento lineal del rayo γ fuese empleado en hacer vibrar los núcleos atómicos.  Y esto es aún más alucinante si cabe porque es como si disparásemos una bala a nuestra red de cascabeles y la red de cascabeles absorbiese la bala sin hacer sonar ningún cascabel, ni la más mínima vibración. Rudolf Mössbauer acababa de descubrir la emisión y absorción elástica de rayos ϒ por lo que fue galardonado con el premio Nobel de Físicas en 1961.

lattice gamma iridio
Paco no oye los cascabeles porque el Iridio 191 es un isótopo Mössbauer y puede emitir rayos gamma elásticamente.

Gracias al efecto Mössbauer se consigue radiación altamente monocromática que puede utilizarse para sondear diferencia energéticas de nanoelectronvoltios, neV (1 eV = 109 neV). Esto es muy útil para estudiar las interacciones hiperfinas, las interacciones entre los momentos magnéticos de los electrones y los de los núcleos.

La  espectroscopía Mössbauer está presente en cada laboratorio de física, química o biología en el que se estudien muestras que contengan algún isótopo Mössbauer: 57Fe, 119Sn, 125Te y el resto en esta tabla periódica, ya que desafortunadamente no todos los elementos tienen isótopos Móssbauer. Esta técnica se utiliza para obtener información sobre los enlaces atómicos o las interacciones magnéticas que rodean a los isótopos Mössbauer de la muestra.

Para acabar os dejo una entrevista con Rudolf Mössbauer, os recomiendo ir al minuto 16:00 y verlo hasta el final

‘’Es la gente joven la que hace avanzar la física… es más probables que los jóvenes intenten algo no convencional que el resto no intentaría porque saben demasiado. ’’

Bibliografía

N. N. Greenwood  – Mossbauer spectroscopy, Chapman and Hall Ltd, London 1971 lSBN-13:978-94-009-5699-5

 

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