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응용원리

서로 다른 두 고체 안에 같은 종류의 원자핵들을 끼워넣으면, 복사를 방출하거나 들뜬 상태에 있는 한 고체는 복사를 흡수하거나 바닥상태에 있는 다른 고체로 하여금 첫번째 고체에서 방출된 감마복사를 공명흡수하게 할 수 있다. 이것은 매우 민감하기 때문에 만약 한 고체가 다른 고체에 대해서 0.1㎝/s 정도의 작은 속도로 움직인다 하더라도 감마선 에너지의 도플러 이동 때문에 공명이 깨질 수 있다. 이 때문에 뫼스바우어 효과는 실험물리학의 도구로서 매우 유용하다. 만약 복사를 방출하거나 흡수하는 원자핵의 에너지 상태가 외부의 어떤 효과에 의해 교란된다면 공명흡수도 발생하지 않을 것이다. 따라서 공명흡수가 다시 일어날 때까지 방출하거나 흡수하는 고체들의 상대속도를 변화시킴으로써 교란시키는 외부 효과의 정확한 크기를 결정할 수 있다.

뫼스바우어 효과를 이용한 장치

뫼스바우어 효과는 보통 방사성 물질에서 방출되는 감마선이 바닥상태에 있는 똑같은 동위원소를 포함하는 흡수체를 통해 투과되는 것을 측정함으로써 관측할 수 있다. 이 실험에 쓰이는 기구는 감마선 자체의 에너지 값 근처에서 발생하는 도플러 이동을 측정하기 때문에 뫼스바우어 효과 도플러-속도 분광계라고 한다.

이 개념을 이용하는 분광계가 그림1에서 대략 설명되고 있다. 방사성 물질은 정해진 속도를 움직이는 전기 기계 변환기(electromechanical transducer) 위에 놓여 있다. 일반적으로 수㎝/s 정도의 속도가 필요하다. 방출된 감마선의 에너지는 도플러 효과 때문에 속도에 비례해 변이된다. 예를 들어 외부의 장(場)에 의해 교란되지 않는다면 방사성 물질과 공명흡수체의 원자핵들은 동일하다.

공명동위원소(핵)를 포함하는 흡수체를 통과한 감마선은 비례계수기에서 검출된다. 매초 검출되는 감마선은 도플러 속도의 함수로 표시되며 그림2에서 보여주는 바와 같이 뫼스바우어 효과 흡수 스펙트럼으로 나타난다. 그림의 중앙 부분에서 갑자기 줄어드는 현상은 공명흡수, 즉 뫼스바우어 효과 때문이다. 전기 기계 변환기가 다가가거나 멀어지는 것에 상관 없이 속도가 크다면 도플러 이동에 의해 공명흡수가 일어나지 않는다.

뫼스바우어 효과에 적합한 동위원소

35종 이상의 동위원소에서 뫼스바우어 효과를 볼 수 있다. 뫼스바우어 효과에 적합한 동위원소가 되려면 안정한 상태, 즉 바닥상태에서의 지속시간이 길어야 하고 감마선을 방출하며 낮은 에너지 상태로 쉽게 전이할 수 있는 적당히 높은 들뜬 에너지 상태가 있어야 한다. 들뜬 상태의 에너지에 관한 조건은 반동이 없는 감마선 방출을 얻기 위해 필요하다.

자유원자의 반동 에너지가 고유한 격자진동 에너지에 비해 매우 작을 경우에 한해서, 전체적으로 무시할 수 있을 정도의 에너지 손실을 가진 결정의 반동에 의해 운동량보존법칙이 만족되는 어떤 한정된 확률을 갖게 된다. 결과적으로 나타나는 감마선은 가능한 핵전이의 에너지를 모두 가지며, 열 진동에 의해 선폭이 확장되지 않는다. 따라서 바닥상태에 있는 원자핵에 의해 일어나는 반동 없는 공명재흡수와 정확히 같은 에너지를 방출한다.

자유원자 반동 에너지의 크기는 보통 뫼스바우어 효과를 확정하기 위해 150KeV 미만의 에너지를 가진 감마선으로 제한해야 한다. 공명의 자연선폭(natural width), 즉 원자핵의 에너지 준위 폭 Γ는 지속시간(lifetime)τ와 Γτ=h/2π의 관계가 있다. 이 식에서 h는 플랑크 상수이다. 들뜬 상태의 지속시간은 10^-11초보다 길어야 한다. 그렇지 않으면 공명 준위가 너무 넓어서 보통 방출과 반동이 없는 방출 간에 구별이 안 된다. 가장 길면서 유효한 지속시간은 약 10^-5초 정도인데, 그 이유는 이 시간에 측정되는 에너지 준위의 폭이 다른 메커니즘에 의한 자연선폭보다 훨씬 작기 때문이다.

응용

뫼스바우어의 발견은 당시까지 알려진 방법 중 가장 정확하게 진동수를 제어할 수 있는 유용한 전자기파(감마선)를 만드는 방법을 제공했기 때문에 매우 광범위한 응용을 가져왔다.

또한 원자핵과 그 주변에 있는 것들과의 상호작용을 측정하는 새로운 기술을 제공했다. 반동이 없는 감마선을 이용하면 1/10¹²보다 더 정확한 에너지 분해능이 얻어진다.

뫼스바우어 효과는 과학의 여러 영역에 응용될 수 있다. 상대론 연구에서 감마선 에너지를 매우 정확하게 측정할 수 있는 방법을 이용해서 중력에 의한 적색이동, 즉 전자기 복사가 중력장을 통과하는 동안 일어나는 전자기 복사의 에너지 변화를 직접 증명할 수 있게 했다.

이것은 지구 중력장에서 2,260㎝의 거리를 수직으로 통과하는 동안 발생하는 감마선 에너지의 변화를 상쇄하기 위해 필요한 도플러 이동을 측정함으로써 증명되었다. 측정된 변화는 2.5/10¹⁵, 즉 2.7㎜/h의 도플러 속도에 달했고 이론적인 예측값과 거의 일치했다. 곧 에너지 E를 가진 광자는 마치 E/c²(c는 광속)의 질량을 가진 입자처럼 운동한다는 것이 밝혀졌다. 이와 관련된 실험에서 복사체의 온도가 올라감에 따라 반동 없는 감마선의 에너지가 줄어드는 것도 밝혀졌다.

이 열적색이동은 여러 가지 방식으로 설명될 수 있다. 즉 고체에서 원자들의 평균제곱속도(예를 들면 열운동)에 생기는 2차 상대론적 도플러 효과로 볼 수도 있고, 다른 한편으로는 상대론적 시간지연 때문에 발생하는 것으로 볼 수도 있다. 상대론적 시간지연이란 정지해 있는 관찰자가 볼 때 움직이는 좌표계(이 경우에는 원자) 안에서 측정된 시간이 보다 느려지는 것을 말한다. 열적색이동 뫼스바우어 효과가 상대론의 쌍둥이 역설, 즉 우주를 여행하고 지구로 돌아온 사람이 고향에 남아 있던 쌍둥이 형제보다 더 젊을 것인가에 대한 의문을 직접적인 실험으로 풀 수 있는 방법이라고 생각되었다.

그러나 이에 대해서는 많은 논란이 있었다.

핵물리학에서도 다양한 방법으로 응용된다. 뫼스바우어 효과를 응용하면 붕괴하는 원자핵 에너지 준위의 폭에 해당하는 감마선 선폭을 직접 측정할 수 있다. 그 결과는 측정된 붕괴 시간과 거의 일치하는데, 이는 반동이 없는 감마선의 에너지 폭이 사실은 붕괴하는 상태의 지속시간에 의해 완전히 결정된다는 점을 가리킨다.

이성핵 이동(원자핵과 전하 사이의 정전기적 상호작용 때문에 일어나는 원자핵의 감마선 에너지 변화)은 원자핵이 들뜬 상태로 될 때 일어나는 원자핵과 전하 사이의 반지름의 변화를 측정할 수 있게 한다. 대칭성이 약한 결정체에서 전기장 변화에 의해, 또는 강자성체에서 자기장에 의해 원자핵의 에너지 준위가 미세구조로 갈라지는 것을 이용하면 원자핵의 전기 사중극자(四重極子)와 자기 쌍극자 모멘트를 측정할 수 있다.

이성핵 이동이나 미세구조 갈라짐은 뫼스바우어 스펙트럼에서 쉽게 측정된다. 뫼스바우어 공명에서 에너지 폭을 통해 감마선 방출·흡수 과정, 이에 관련된 들뜬 상태의 에너지 폭을 직접 측정할 수 있다. 이 에너지 폭으로부터 들뜬 상태의 지속시간을 직접 얻을 수 있다.

뫼스바우어 효과는 다른 분야에서의 기여도 크지만 고체물리학에서의 응용은 주로 격자동역학(格子動力學)·초미세상호작용(超微細相互作用)의 분야에서 활발하다.

감마선 방출과정에서 반동이 없을 확률은 감마선의 파장과 비교해서 열진동 진폭의 크기에 따라 달라진다. 반동이 없는 복사의 비율은 공명흡수되는 정도에 따라 결정되는데 이를 측정함으로써 고체 내 열운동의 평균제곱진폭(각 진폭의 제곱값 간의 평균)을 알 수 있다. 단결정들을 사용하면 열운동의 진폭은 특정한 결정학상의 방향에서 측정될 수 있다(결정격자). 이는 격자동역학적 모형을 시험할 수 있는 엄밀한 수단을 제공한다.

이에 덧붙여 위에 언급된 열적색이동으로부터 평균제곱열속도를 알 수 있다. 자기 초미세작용들은 자기적으로 정렬된 금속, 즉 강자성체(强磁性體)·준강자성체(準强磁性體)·반강자성체(反强磁性體) 연구에서 특히 유용하다. 초미세작용을 통해 자기 이온들로 구성된 격자의 자화(磁化)를 간접적으로 측정할 수 있고 자기 상호작용들의 세세한 내용뿐만 아니라 그것들의 온도 의존성을 이해할 수 있게 해준다.

화학에서의 응용들은 주로 이성핵 이동과 사중극자 갈라짐에 근거를 둔다.

이성핵 이동은 원자핵에서 s-궤도 전자들의 전하밀도를 나타내고 원자가(原子價)나 공유원자가(共有原子價) 같은 화학 결합의 특징에 관한 정보들을 준다. 사중극자 갈라짐은 구조적 환경의 대칭성과 뫼스바우어 원자핵을 포함하는 원자의 바깥쪽 전자들의 파동함수에 민감하다. 이 기법은 지금까지 혈액단백질(hemoprotein)을 포함해서 주석·철의 금속-유기 화합물(metal-organic compound)과 철, 주석, 요오드, 희토류 원소(稀土類元素)를 포함하는 무기 화합물의 연구에 응용될 뿐만 아니라, 클래트레이트(clathrate), 촉매제, 희석한 뫼스바우어 동위원소를 포함하는 유리질의 연구에도 응용하고 있다.