Efekti

nastavak:

Jednačina za Komptonov pomak

Da bi objasnio pojavu, Kompton je upotrebio tri osnovne formule klasične i moderne fizike:
- Čestičnu prirodu svetlosti, kako je već demonstrirano u fotoelektričnom efektu
- Relativističku dinamiku iz specijalne teorije relativnosti
- Trigonometriju - kosinusni zakon

te je dobio sledeću jednačinu Komptonovog rasejanja:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je:
- λ1 talasna dužina fotona pre sudara,
- λ2 talasna dužina fotona posle rasejanja,
- me masa elektrona,
- h/(mec) Komptonova talasna dužina,
- θ ugao skretanja fotona,
- h Plankova konstanta, i
- c brzina svetlosti.

Komptonova talasna dužina iznosi 2,43×10-12 metara.

nastavak:

Izvođenje

Polazimo od zakona o održanju energije:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je Eγ energija fotona pre sudara a Ee energija elektrona pre sudara — jednaka njegovoj masi mirovanja. Promenljive sa primom (') označavaju stanje nakon sudara.

Isto treba da važi i zakon o održanju momenta:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde, zbog jednostavnosti, podrazumevamo da elektron pre sudara miruje pa pe = 0.

nastavak:


Koristeći vezu između energije i frekvencije, i energije i impulsa E = hf = pc iz gornjeg izraza nalazimo:

http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif

Kosinusni član, cos(θ), se javlja jer foton menja pravac kretanja pa je za slaganje momenata potrebno uzeti u obzir ugao među njima.

nastavak:

Zamenjivanjem pγ http://razbibriga.net/clear.gif sa i pγ' sa http://razbibriga.net/clear.gif , nalazimo:

http://razbibriga.net/clear.gif

Sada transformišemo energijski deo:

http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif

i rešavamo ga po pe':

http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif

nastavak:

Sada imamo dve različita izraza za http://razbibriga.net/clear.gif , koja smemo da izjednačimo:

http://razbibriga.net/clear.gif

Sada je samo pitanje preuređivanja:

http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif
http://razbibriga.net/clear.gif

Dakle, nakon sudara sa elektronom u atomu, foton menja pravac (ugao θ) i talasnu dužinu od λ u λ' izbijajući iz atoma elektron koji odnosi deo prvobitne energije fotona.

Komptonovo rasejanje je od prvorazrednog značaja u radiologiji jer je to najverovatniji mehanizam međudelovanja visokoenergijskih H-zraka i atoma u tkivu i koristi se u radijacionoj terapiji.
U istraživanjima, Komptonovo rasejanje se koristi za ispitivanje elektronskog omotača u atomu.

Zemanov efekat

Zemanov efekat je cepanje spektralne linije u magnetskom polju. Efekat nosi ime po njegovom pronalazaču, holadnskom fizičaru Zemanu. Godine 1896., otkrio je da se spektralne linije izvora svetlosti u jakom magnetskom polju polarizuju. Ovaj fenomen potvrdio je talasnu prirodu svetlosti. Efekat je objasnio Lorenc koji je sa Zemanom podelio Nobelovu nagradu za fiziku 1902. godine.

Efekat je posledica postojanja elektronskih stanja čija energija zavisi od magnetnog polja (magnetni kvantni broj). Van magnetnog polja sva stanja imaju jednake energije što se stručno kaže da su stanja degenerisana. U magnetnom polju, kažemo da dolazi do uklanjanja degeneracije te zavisno od vrednosi magnetnog kvantnog broja svako stanje zadobija malo različitu energiju što se ispoljava u spektrima kao cepanje spektralnih linija na više komponenata.

nastavak:

Nuklearna magnetna rezonancija se zasniva na Zemanovom efektu s jedinom razlikom što se radi o energijskim nivoima atomskih jezgara umesto elektrona. Magnetsko polje uklanja degeneraciju spinskih stanja i prvobitni zajednički nivo, cepa se na nekoliko komponenata...

Zemanov efekat ima izvanredan značaj u modernoj astrofizici jer njegovim opažanjem i merenjem u spektrima zvezda (i Sunca) može da se odredi magnetna indukcija na površini tih nebeskih tela. Tako, na primer, znamo da su Sunčeve pege izvori snažnih magnetnih polja i da se povremeno tamo odigravaju magnetne bure...

Zemanov efekat predstavlja osnovu za kvantno-mehaničko objašnjenje Faradejevog efekta.

Čerenkovljev efekat

Čerenkovljev efekat ili Čerenkovljevo zračenje ili Čerenkov-Vavilovljev efekat je pojava vidljivog zračenja prilikom proletanja naeletrisane čestice kroz izolator brzinom koja je veća od brzine svetlosti u toj sredini. Karakteristično plavo svetljenje u nuklearnom reaktoru potiče od Čerenkovljevog zračenja. Efekat je dobio ime po ruskom fizičaru Pavelu Aleksijeviču Čerenkovu (Pável Alekséevič Čerenkóv, engl. Pavel Alekseyevich Cherenkov) koji ga je prvi detaljno opisao i za to dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1958. godine.

Prema specijalnoj teoriji relativnosti, brzina svetlosti u vakuumu je univerzalna konstanta (c) dok u materijalnoj sredini može biti znatno manja od s što se najočiglednije ispoljava preko indeksa prelamanja. Na primer, brzina svetlosti u vodi je svega oko 0,75 s. U nuklearnim reakcijama ili ubrzivačima (akceleratorima) čestica materijalne čestice mogu dostići brzine mnogo veće od brzine svetlosti u materiji. Čerenkovljevo zračenje se javlja kada naeletrisana čestica, najčešće elektron, dostigne u nekoj dielektričnoj sredini (električnom izolatoru) brzinu veću od brzine svetlosti u toj istoj sredini.

nastavak:

Pri prolasku kroz materijalnu sredinu naeletrisana čestica na svojoj putanji remeti lokalna eletromagnetna polja. Taj poremećaj izbacuje iz ravnotežnih položaja sveprisutne elektrone i polarizuje atome i molekule. U izolatoru, pobuđeni elektroni osciluju oko svojih ravnotežnih položaja u koje se vračaju emitujući fotone. Pod običnim uslovima dočazi do destruktivne interferencije, dakle fotoni jedni drugima smetaju i ukupan je efekat da, spolja gledano, nema nikakvog zračenja. Međutim, kada se poremećaj polja koroz sredinu kreće brže od fotona onda dolazi do konstruktivne interferncije, dakle, do slaganja lokalnih zraka zbog čega dolazi do emitovanja zračenja u okolinu.

Ovo je vrlo slično zvučnom udaru pri probijanju zvučnog zida. Zvučni talasi koje emituje izvor koji se kreće nadzvučnom brzinom nakupljaju se pred izvorom obrazujući udarni talas pa do posmatrača svi ti talasi dopru istovremeno što se ispoljava kao prasak. Slično i ispred motornog čamca nastaje veliki talas jer se kreće mnogo većom brzinom od brzine samih talasa. Tako i naeletrisana čestica koja se kreće nadsvetlosnom brzinom, ispred sebe obrazuje fotonski udarni talas.

nastavak:

http://razbibriga.net/clear.gif

Na slici v je brzina čestice (crvena strelica), β je v/c, n je indeks prelamanja sredine. Plave strelice predstavljaju fotone. Dakle, u potpunoj analogiji sa kretanjem motornog čamca po vodi, svetlost se emituje pod izvesnim uglom u odnosu na pravac kretanja čestice a ugao skretanja je tim veći što je veća relativna brzina čestice u odnosu na brzinu svetlosti u datoj sredini:

http://razbibriga.net/clear.gif

Intuitivno, ukupni intenzitet Čerenkovljevog zračenja je proporcionalan brzini naelektrisanih čestica i njihovom broju. Poput zakočnog, spektar Čerenkovljevog zračenja je neprekidan (kontinualan). Relativni intenziteti su proporcionalni frekvenciji, dakle, većeg intenziteta je zračenje manje talasne dužine. Zbog toga je Čerenkovljevo zračenje u vidljivom delu spektra intenzivno plavo. U stvari, najveći deo Čerenkovljevog zračenja emituje se u ultraljubičastom delu spektra.
Postoji granična frekvencija iznad koje gornja jednačina ne može da bude zadovoljena pošto indeks prelamanja zavisi od frekvencije (stoga i od talasne dužine zračenja).

Čerenkovljevo zračenje se koristi za detekciju naeletrisanih čestica visoke energije. Postoji mnoštvo metoda merenja zasnovanih na ovom zračenju od testiranja istrošenosti nuklearnog goriva do detekcije neutrina

Mesbauerov efekat

Mesbauerov efekat je pojava da se promena energije emitovanih gama fotona nastala uzmakom emitera, može ukloniti 'ugrađivanjem' emitera u kristalnu rešetku. Efekat je otkrio Rudolf Mesbauer 1957. i za njegovo otkriće Nobelovu nagradu za fiziku 1961. podelio sa Robertom Hofštaderom (koji se bavio rasejanjem elektrona na atomskim jezgrima).

Kod gasova rezonantna emisija i apsorpcija x-zraka već je bila opažena i slično se očekivalo sa gama zracima. Međutim, kod gama zraka efekat nije opažen zbog uzmaka jezgra prilikom emisije zraka. Deo energije zračenja se troši na kinetičku energiju uzmaklog jezgra pa je energija fotona, te otuda i frekvencija zraka, manja od one koju bi fotoni imali da uzmaka nema. Ta mala promena frekvencije dovodi do gubitka rezonancije. Mesbauer je uspeo da opazi rezonantnu apsorpciju u čvrstom iridijumu, pa se postavljalo pitanje zašto je rezonantna apsorpcija moguća u čvrstom a ne i u gasovitmo stanju. Mesbauer je predložio da, za atome vezane u kristalnu rešetku pod izvesnim uslovima može da dođe do emisije zračenja bez uzmaka.

nastavak:

Gama zraci (fotoni) nastaju kada atomsko jezgro prelazi iz nestabilnog visokoenergijskog stanja u stabilno stanje niže energije. Moguć je i obrnut proces u kojem jezro u nižem energijskom stanju apsorbuje gama foton i prelazi u pobuđeno stanje. Međutim, jegro može da apsorbuje samo one fotone čija se energija poklapa sa energijskom razlikom među nivioima. Poklapanje tih energija je nužno jer se mogući višak ili manjak energije fotona ne može ni primiti ni predati zbog kvantne prirode atomskih pojava. Taj uslov za jednakost energije fotona i energijske razlike među nivoima naziva se rezonantni uslov a pojava rezonantna apsorpcija. Dakle, pobuđeno jezgro emituje gama zrake a jezgro u osnovnom stanju može da ih apsrobuje. Energije emitovanih zraka karakteristične su za svako jezgro, ili svaki par energijskih nivoa. Međutim, čak i tada one su raspršene unutar malog intervala koji se zove širina prelaza. Ta nedoređenost posledica je konačnog vremena života pobuđenog stanja i saglasno Hajzenbergova relacija neodređenosti širina prelaza obrnuto je proporcionalna njegovoj dužini života.

nastavak:

Energija emitovanog gama fotona odgovara energiji nuklearnog prelaza umanjenoj za energiju izgubljenu u uzmaku jezgra. (Uzmak kod jezgra istog je porekla kao trzaj topa ili puške prilikom ispaljivanja zrna a posledica je zakona akcije i reakcije.) Ako je izgubljena «energija uzmaka» mala u poređenju sa širinom prelaza uzmak će biti neprimetan i tada foton može da bude apsorbovan od strane istog jezgra koje je u osnovnom stanju. Dodatna energija uzmaka gubi se i prilikom apsorpcije fotona pa da bi došlo do do rezonantne apsorpcije energija uzmaka mora biti manja od polovine širine prelaza. Jer, ako je ukupna energija uzmaka veća od širine prelaza gubi se rezonantni uslov.

Veličina izgubljene energije ER raste sa kvadratm energije gama fotona, Eγ a opada sa masom emitera ili apsorbera, M:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je c brzina svetlosti. Kod gasova emiteri i apsorberi su pojedinačna atomska jezgra čija je masa dovoljno mala da gubici usled uzmaka budu značajni što sprečava rezonanciju. Ista jednačina važi i za h-zrake samo što je energija njihovih fotona znatno manja pa za istu masu i energija uzmaka postaje zanemariva i otuda rezonancija očuvana.

nastavak:

Zbog kvantne prirode čvrstog tela, vibracione energije atoma vezanih u kristalnu rešetku su kvantirane. Ako energija uzmaka nije dovoljna da pobudi rešetku u sledeće vibraciono stanje onda ceo kristal deluje kao telo koje uzmiče. Dakle, masa M u gornjoj jednačini postaje ogromna i emisija se odigrava bez uzmaka. Tada je energija emitovanog fotona jednaka energiji prelaza i može da doće do rezonancije.

Po prirodi gama zraci imaju vrlo uske prelaze (male širine prelaza) zbog čega se i najmanja promena u nuklearnim energijskim nivoima odražava na njihovoj frekvenciji. Zato gama zraci mog da se koriste za ispitivanje međudelovanja elektrona i atomskih jezgara. To predstavlja osnovu za Mesbauerovu spektroskopiju u kojoj je spretnom kombinacijom Mesbauerovog sa Doplerovim efektom moguće pratiti vrlo fine promene u elektronskom omotaču.

Gigantski magnetootpornički efekat

Gigantski magnetootpornički efekat (GME) je kvantno mehanički efekat uočen u strukturama koje sadrže tanke slojeve (filmove) feromagnetskih materijala koji su međusobno razdvojeni filmovima od dijamagnetskih metala.

Efekat se ispoljava kao značajna promena otpornosti feromagnetskih filmova od stanja u kome nema spoljašnjeg magnetskog polja (kada su vektori magnetizacije susednih feromagnetskih slojeva paralelni i suprotnosmerni zbog slabe anti-feromagnetske sprege koja se javlja između ovih slojeva) ka stanju smanjene otpornosti u prisustvu spoljašnjeg magnetskog polja (usled koga se vektori magnetizacije feromagnetskih slojeva postavljaju u istosmerne položaje). Spinovi elektrona se u dijamagnetskom sloju materijala u jednakom broju postavljaju paralelno ili antiparalelno linijama spoljašnjeg magnetskog polja što dovodi do međusobnog poništavanja i nulte magnetizacije koja dovodi do manjeg magnetskog rasejanja koje uzrokuju paralelno postavljeni vektori magnetizacije feromagnetskih filmova.

nastavak:

Ovu pojavu u slojevima čistih kristala otkrili su nezavisno Peter Grinberg iz Istraživačkog centra Jilih i Alber Fer sa Univerziteta južnog Pariza 1988. godine, a za to otkriće podelili Nobelovu nagradu za fiziku 2007. godine. Tim istraživača firme IBM koji je predvodio Stjuart Parkin je uspeo da reprodukuje ove efekte sa slojevima polikristala 1989. godine, čime je proširio izglede za ostvarivu primenu ovog efekta, a naročito mogućnosti upotrebe ovog efekta u konstrukciji senzora za detekciju magnetnih polja, i time i nove generacije glava za očitavanje sadržaja računarskih hard diskova. Firma IBM je proizvela prvi komercijalno raspoloživi uređaj zasnovan na ovom efektu u decembru 1997. godine. Trenutna istraživanja se fokusiraju na upotrebi nanožica (koje ispoljavaju veću osetljivost od tankih filmova koji se koriste u hard diskovima), koje takođe ispoljavaju efekat gigantske magnetootpornosti.

nastavak:

http://razbibriga.net/clear.gif
Rezultati Ferta i saradnika koji pokazuju zavisnost pada otpornosti feromagnetskog filma (izrađenog od gvožđa i debljine 3nm) od debljine dijamagnetskog sloja (izrađenog od hroma i različitih debljina):
1. Zelena kriva pokazuje pad otpornosti kada je sloj hroma debljine 1.8nm
2. Plava kriva pokazuje pad otpornosti kada je sloj hroma debljine 1.2nm
3. Narandžasta kriva pokazuje pad otpornosti od izuzetnih 80% kada je sloj hroma debljine 0.9nm

nastavak:

Tipovi GME

Višeslojni GME

Dva ili više feromagnetska sloja su razdvojena vrlo tankim dijamagnetskim filmom (debljine oko 1 nm, npr. Fe/Cr/Fe). Pri određenoj debljini dolazi do tzv. RKKJ sprezanja između susednih feromagnetskih slojeva usled koga se vektori magnetizacije sprežu u paralelne suprotnosmerne položaje čime se stvaraju energetski povoljni uslovi za antiparalelno postavljanje vektora magnetizacije u susednim feromagnetskim slojevima. Električni otpor ovog uređaja je obično veći u suprotnosmernoj-paralelnoj postavci a razlika može dostići i nekoliko desetina procenata na sobnoj temperaturi. Međusloj koji razdvaja ova dva uređaja obično odgovara drugom antiferomagnetskom skoku AFM-FM oscilovanja u RKKJ sprezi.
GME je prvi put uočen na višeslojnim konfiguracijama, što je dovelo do toga da se u većini istraživanja GME koristilo 10 i više slojeva materijala.

nastavak:

GME Spinskog ventila

Dva feromagnetska sloja su razdvojena tankim (oko 3 nm) neferomagnetskim razdvojnim slojem ali bez RKKJ sprezanja. Ako su polja za anuliranje magnetizacije ove dve feromagnetske elektrode međusobno različita, moguće je da im se nezavisno menja usmerenje magnetizacije. Tako može biti ostvareno paralelno i antiparalelno usmerenje dok vrednost otpornosti obično postaje značajno veća u antiparalelnoj konfiguraciji. Ovaj uređaj se ponekad naziva i spinski-ventil.
Konfiguracija GME spinskog ventila je konfiguracija koja se u industriji najviše upotrebljava i to je konfiguracija koja se koristi u hard dikovima.

nastavak:


http://razbibriga.net/clear.gif
GME Spinskog ventila
Dijamagnetski sloj je dovoljno debeo da sprečava RKKJ sprezanje. Otpornost feromagnetskih i dijamagnetskih slojeva je prikazana na donjoj simboličkoj šemi:
1. Slika sa leve strane pokazuje putanju elektrona koji ima spin +1/2 (na gore) i spin -1/2 (na dole) kroz istosmerne feromagnetske slojeve i liniju povećanja otpornosti sa dužinom puta kroz materijal. Elektroni spina na dole će podleći većem otporu kretanju kroz materijal zbog delimične rekombinacije sa praznim mestima u kristalnoj rešetki.
2. Slika sa desne strane prikazuje suprotan slučaj. Spinovi su suprotnosmerni te je električni otpor isti za obe vrste elektrona jer se svaka vrsta delimično rekombinuje u odgovarajućem sloju.