मॉसबावर परिणाम

मॉसबावर परिणाम : ⇨ रूडोल्फ लूटव्हिस मॉसबावर यांनी १९५८ मध्ये शोधून काढलेल्या या परिणामात अणुकेंद्रांकडून गॅमा किरणांचे (दोन ऊर्जा पातळ्यांमध्ये अणुकेंद्राचे संक्रमण होताना उत्सर्जित होणाऱ्या उच्च ऊर्जायुक्त किरणांचे) प्रत्यगतिविरहितपणे उत्सर्जन व अनुस्पंदनी शोषण (यांचे स्पष्टीकरण खाली दिले आहे) होत असते या शोधासाठी त्यांना १९६१ साली भौतिकीचे नोबेल पारितोषिक देण्यात आले. या परिणामात आधारभूत असलेल्या तत्त्वांचे विवेचन खाली दिलेले आहे. 

प्रत्यागती: बंदुकीतून गोळी झाडली असता [संवेगाच्या म्हणजे द्रव्यमान व वेग यांच्या गुणाकाराच्या अक्षय्यत्वाचा सिद्धांतानुसार → संवेगाची अक्षय्यता] बंदुकीला विरुद्ध दिशेने झटका बसतो. त्यालाच बंदुकीची प्रत्यागती किंवा प्रत्याघाती असे म्हणतात. याचप्रमाणे जेव्हा एखाद्या मुक्त अणुकेंद्रातून गॅमा फोटॉनाचे (पुंजकणाचे) उत्सर्जन होते तेव्हा उत्सर्जन अणूलाही प्रत्यागती प्राप्त होते व त्यासाठी लागणारी जरूर ती ऊर्जा

E_r = E²/2mc²

(m – अणूचे द्रव्यमान, c – प्रकाशवेग, E – उत्सर्जित गॅमा फोटॉनाची ऊर्जा) या समीकरणाने दिली जाते. वरील समीकरणावरून हेही स्पष्ट होईल की, काही उपायाने m चे परिणामी मूल्य अतिशय मोठे केल्यास E_r शून्यप्राय होईल म्हणजेच प्रत्यागतिविरहित उत्सर्जन मिळू शकेल. थोड्या फरकाने हा सर्व प्रकार शोषक अणुकेंद्रालाही लागू पडतो.

प्रत्यागतीचे निराकरण : उत्सर्जक व शोषक अणुकेंद्रे जर (दोन वेगवेगळ्या) स्फटिक जालकांत बद्ध असतील, तर प्रत्यागती संपूर्ण जालकाला मिळते पण जालकाचे द्रव्यमान अणूच्या तुलनेने १०^१० ते १०^२० पटींनी जास्त असते. त्यामुळे E_r शून्यप्राय होऊन प्रत्यागतिविरहित उत्सर्जन व शोषण मिळविता येते.

अनुस्पंदनी शोषण : गॅमा किरण उत्सर्जक अणुकेंद्रे काही ठराविक ऊर्जा-पातळ्यांतच असू शकतात. समजा की, विशिष्ट अणुकेंद्रासाठी किमान ऊर्जा पातळी (तळपातळी) E₁ असून E₂ ही एक त्यापेक्षा उच्च ऊर्जा- पातळी (क्षुब्ध पातळी) आहे. या अणुकेंद्राची प्रारंभीची ऊर्जा-पातळी E₂ असून तेथून त्याचे E₁ प्रत (प्रत्यागतिविरहित) संक्रमण झाले, E = E₂-E₁ या ऊर्जेच्या गॅमा फोटॉनाचे उत्सर्जन होईल. त्याच मूलद्रव्याच्या तळ अवस्थेत असलेल्या एखाद्या अणुकेंद्रावर हा फोटॉन पडल्यास त्याचे शोषण होऊन शोषक अणुकेंद्र E₂ या पातळीवर चढविले जाईल. सर्वसामान्य शोषणापेक्षा या प्रकारचे शोषण खूपच तीव्र असते व ते होण्याकरिता आपाती फोटॉनाची ऊर्जा नेमकी शोषकाच्या दोन पातळ्यांमधील ऊर्जा फरकाइतकीच असली पाहिजे. अशा शोषणाला अनुस्पंदनी शोषण असे म्हणतात. आपाती फोटॉनच्या ऊर्जा मूल्यात अगदी अल्प (सु. १०^-१० टक्के इतका) फरक पडला, तरीही अनुस्पंदनी शोषण होत नाही म्हणजेच हा आविष्कार अत्यंत संवेदनशील आहे.

डॉप्लर स्थानच्युती : (क्रिस्टिआन डॉप्लर या ऑस्ट्रियन भौतिकीविज्ञांच्या नावाने ओळखण्यात येणारी स्थानच्युती). फोटॉनाच्या ऊर्जा मूल्यांत कोणत्याही कारणामुळे पडणाऱ्या तफावतीला स्थानच्युती म्हणतात. उत्सर्जक व शोषक अणुकेंद्रांमध्ये v हा सापेक्ष वेग असेल, तर त्यामुळे फोटॉनची ∆E = v/c इतकी स्थानच्युती होते. हिला डॉप्लर स्थानच्युती असे म्हणतात [→ डॉप्लर परिणाम] व ती v च्या सम प्रमाणात असते, हे वरील समीकरणावरून दिसू शकते.

चुंबकीय किंवा विद्युत् क्षेत्रे, तापमान यांसारख्या बाह्य कारणांमुळे होणाऱ्या स्थानच्युतीचे निराकरण सुयोग्य डॉप्लर स्थानच्युतीमुळे करून त्यामुळे अनुस्पंदनी शोषण प्रस्थापित करणे ही मॉसबावर परिणामाचा वापर करताना करावयाची मुख्य कृती असते. त्यासाठी जरूर त्या वेगाचे (v चे) मापन करून त्यावरून महत्त्वाची माहिती मिळू शकते. यासाठी जरूर ती v कमाल मूल्ये प्रतिसेकंदाला काही सेंमी. इतकीच असतात. दोन अणुकेंद्रे परस्परांकडे येत असतील, तर v धन दूर जात असतील, तर v ऋण घेतला जातो.

प्रयोग पद्धती : प्रयोगामध्ये एक सुयोग्य गॅमा उत्सर्जक, त्याच्यापुढे शोषक व त्यापुढे गॅमा अभिज्ञातक (गॅमा फोटॉनांचे अस्तित्व ओळखणारी प्रयुक्ती) असे एका रेषेत मांडलेले असतात (आ १). उत्सर्जक व शोषक हे दोन्ही स्फटिक जालकात बद्ध असतात. उत्सर्जक एका शिशाच्या आवरणात असून त्याला ठेवलेल्या बारीक छिद्रातून गॅमा किरणांची एक अरुंद शलाका बाहेर पडते व शोषकावर पडते.

प्रत्यागतिविरहित शोषण होण्यासाठी शोषक देवार पात्रात (उष्णता निरोधक पात्रात जेम्स देवार या ब्रिटिश भौतिकीविज्ञांच्या नावावरून ओळखण्यात येणाऱ्या पात्रात) ठेवून नीच तापमानापर्यंत थंड केलेला असतो. शोषक स्थिर ठेवून त्याच्या सापेक्ष उत्सर्जकाला, निश्चित मूल्याचे वेग (+ v) ऊर्जापरिवर्तकाच्या (एका प्रकारच्या ऊर्जेचे दुसऱ्या प्रकारच्या ऊर्जेत रूपांतर करणाऱ्या साधनाच्या) साहाय्याने देता येतात.

उत्सर्जकापासून निघालेले गॅमा फोटॉन शोषकातून पलीकडे जाऊन अभिज्ञातकावार पडतात व अभिज्ञातक त्यांची तीव्रता (I) नोंदतो. उत्सर्जकाचा वेग वाढवत नेतात. जेव्हा हा वेग अनुस्पंदनास योग्य इतका होतो तेव्हा शोषकात जोरदार शोषण होते. त्यामुळे अभिज्ञातकाकडून नोंदलेली तीव्रता I एकदम कमी होते.

मॉसबावर वर्णपट: मग या प्रयोगातील v व I यांचा आलेख काढतात. आधुनिक उपकरणात इलेक्ट्रॉनिकीय यंत्रणेकडून हा आलेख आपोआप काढला जावा अशी व्यवस्था असते. या आलेखाला मॉसबावर वर्णपट व उपकरणाला मॉसबावर वर्णपटमापक असे म्हणतात. Fe⁵⁷ हा उत्सर्जक वापरून अपोलो-११ मोहिमेने चंद्रावरून आणलेल्या दगडांचा मिळालेला मॉसबावर वर्णपट आ. २. मध्ये दाखविला आहे. लोहाचा समस्थानिक (अणुक्रमांक तोच पण अणुभार भिन्न असलेला त्याच मूलद्रव्याचा प्रकार) उत्सर्जक वापरल्यामुळे फक्त लोह व त्याची संयुगे यांचेच अभिज्ञान येथे होऊ शकते. अनुस्पंदनायोग्य v चे मूल्य आल्याबरोबर आलेख कसा एकदम खाली येतो ते या आकृतीवरून लक्षात येईल. त्याचबरोबर लोहाच्या वेगवेगळ्या संयुगांसाठी अनुस्पंदनाकरिता जरूर ती v ची मूल्ये वेगवेगळी आहेत, हेही नमूद करण्यासारखे आहे. रासायनिक संयोग व स्फटिकावस्था यांचा हा परिणाम लक्षणीय आहे.

उपयोग : मॉसबावर पद्धतीने मिळणारी काही माहिती इतर कोणत्याही पद्धतीने मिळू शकत नाही, तर इतर काही बाबतींत ही पद्धत जास्त सोपी व इतर पद्धतींपेक्षा जास्त अचूक असते.

⇨ संदर्भ व्यूहाचा वेग किंवा गुरुत्वाकर्षणीय क्षेत्र यांचे कालमापकावर होणारे परिणाम आइन्स्टाइन यांच्या

⇨ सापेक्षता सिद्धांतानुसारच आहेत, याचा अचूक पडताळा मॉसबावर परिणामाचा उपयोग करून घेता आला. त्याप्रमाणे अणुकेंद्रीय भौतिकी, ⇨ घनअवस्था भौतिकी, संरचनात्मक रसायनशास्त्र व जीवविज्ञान अशा बहुविध क्षेत्रांतील अभ्यासासाठी मॉसबावर परिणामाचा उपयोग होतो. त्यांपैकी काही उपयोगांचा वानगीदाखल येथे उल्लेख केला आहे. 

अणुकेंद्रीय भौतिकी व घन अवस्था भौतिकी : अणुकेंद्राचा क्षुब्ध ऊर्जा पातळ्यांची रुंदी व त्यांचे आयुर्मान मोजणे, गॅमा फोटॉनांची ऊर्जा मोजणे यांसाठी मॉसबावर परिणामाचा मोठ्या प्रमाणावर उपयोग होतो. इलेक्ट्रॉन ग्रास, न्यूट्रॉन ग्रास, समघटकी संक्रमण इ. अणुकेंद्रीय विक्रियांमुळे [→ अणुकेंद्रीय भौतिकी] अणूच्या रासायनिक गुणधर्मांत होणारे फेरफार अभ्यासता येतात. स्फटिकांतर्गत विद्युत् स्थितिकीय क्षेत्रे किंवा लोहचुंबकीय पदार्थांतील अंतर्गत चुंबकीय क्षेत्रे यांच्यामुळे अणुकेंद्राच्या ऊर्जा पातळ्यांचे विभाजन होते. या विभाजनाचे मापन मॉसबावर परिणामावरून करता येते. त्यावरून कारक क्षेत्रांची मूल्ये काढता येतात व अणुकेंद्राचे चुंबकीय परिबल, विद्युत् चतुर्ध्रुव परिबल [→ अणुकेंद्रीय व आणवीय परिबले] ही काढता येतात. लोहयुक्त मिश्रधातूंतील अंतर्गत चुंबकीय क्षेत्र हे मिश्रधातूंतील घटकांचे प्रमाण, दाब, तापमान इत्यादींवर कसे अवलंबून असते, त्याचा छडा लावता येतो.

रसायनशास्त्र: मॉसबावर परिणामातील शोषक अणू रासायनिक संयोगावस्थेत असल्यास त्याच्या अणुकेंद्रांवर लगतच्या अणूंतील किंवा मूलकांमधील (कमीतकमी एक जोडी नसलेला इलेक्ट्रॉन असलेला अणूंमधील किंवा द्विआणवीय वा बहुआणवीय रेणूंमधील) इलेक्ट्रॉनांचा परिणाम होतो. यामुळे शोषण होणाऱ्या गॅमा वर्णरेषेचे विभाजन होते किंवा मॉसबावर वर्णपटातील तिच्या स्थानात बदल होतो. या स्थानबदलाला रासायनिक (किंवा समघटकीय) स्थानच्युती (δ) असे म्हणतात. ही स्थानच्युती मोजून तीवरून तेथील रासायनिक बंधाचे वास्तविक स्वरूप काय आहे ते समजू शकते. δ ची मूल्ये अशा अणूतील इलेक्ट्रॉन विन्यासाशी (अणुकेंद्राभोवतील विविध कक्षांतील इलेक्ट्रॉनांच्या संख्यांशी) निगडित असल्याने त्यांच्या मापनावरून त्या रेणूची संरचना चांगली समजते. अनेक लोहयुक्त जैव रेणूंची (उदा., हीमोप्रथिनांची, लोह गंधकयुक्त प्रथिनांची) संरचना या पद्धतीने स्पष्ट झाली आहे.

संदर्भ : 1. Bancroft, G. M. Mossbaur Spectroscopy, New York, 1973.

             2. Crompton, D. M. J. Schoen, A. H., Ed., The Mossbaur Effect, New York, 1962.

             3. Goldanski, V. I. Herber, R. H. Chemical Applications of Mossbaur Effect, New York, 1968.

             4. International Atomic Energy Agency, Mossbaur Spectroscopy and Its Applications, Vienna, 1972.

पुरोहित, वा. ल.

“