Эффект Мессбауэра. С g-излучением ядер связано интересное явление, носящее название эффекта Мессбауэра (Мессбауэр, 1958 г.)

С g-излучением ядер связано интересное явление, носящее название эффекта Мессбауэра (Мессбауэр, 1958 г.). Эффектом Мессбауэра называется резонансное поглощение g-квантов без отдачи. Этот эффект является ядерным аналогом резонансной флуоресценции в атомной физике.

При испускании ядром g-квант уносит не всю энергию возбуждения Е, так как часть этой энергии Т _яд (см. формулу (16.3)) идет на отдачу испускающего ядра:

(16.12)

Для возбуждения ядра до энергии Е нужно поглотить g-квант с энергией

(16.13)

так как согласно закону сохранения импульса часть энергия g-кванта превращается в кинетическую энергию движения ядра. В результате энергии испущенного и поглощенного g-квантов не совпадают на величину 2 Т _яд.

Условие резонансного поглощения может быть записано следующим образом:

где

– т.н. естественная ширина линии, определяемая из соотношения неопределенностей. Чем меньше среднее время τ жизни ядра в данном возбужденном состоянии, тем больше неопределенность в значении энергии возбужденного состояния, тем более вероятно выполнение условия (16.15).

Рассмотрим в качестве примера ядро ¹²⁹Ir, находящегося в возбужденном состоянии с энергией перехода 129 кэВ и средним временем жизни τ ≈ 10^-10 с. Расчет по формуле (16.15) дает

(16.16)

Энергия отдачи ядра определим по формуле(16.3):

(16.17)

Таким образом, энергия отдачи ядра существенно превышает естественную ширину линии излучения и неравенство (16.14) нарушено очень сильно. Иными словами, испущенный ядром γ-квант не может поглотиться ядром того же типа, что исключает возможность ядерной резонансной флуоресценции для свободных атомов. Отметим, что энергия оптических переходов более чем в 10⁴ раз меньше, чем ядерных, и условие (16.15) для оптической флуоресценции выполняется с большим запасом, так как энергия отдачи (16.3) квадратично зависит от энергии перехода. Если бы удалось уменьшить энергию отдачи до величины естественной ширины линии, то измерение энергии g-квантов можно было бы проводить с относительной точностью

~ 10-12¸ 10-14.

(16.18)

В твердых телах, имеющих кристаллическую структуру, передача энергии одному из связанных атомов вызывает, в конечном итоге, хаотические колебания большого числа окружающих атомов, т.е. увеличивает внутреннюю энергию кристалла. Представляется маловероятным возникновение упорядоченных колебаний большого коллектива атомов в кристалле от одного ядра, которое испытало испускание или поглощение γ-кванта. Однако при понижении температуры возможности колебаний отдельных атомов экспоненциально снижаются, а когда возможная кинетическая энергия колебаний отдельного атома в кристалле становится меньше энергии отдачи (16.17), большое количество атомов (~ 10⁸ ÷ I0⁹) имеют теперь возможность совершать согласованные колебания как единое целое. Кинетическая энергия, которую теперь приобретает кристалл, воспринимая импульс отдачи, пренебрежимо мала из-за громадной массы кристалла, по сравнению с массой отдельного атома. Охлаждая источник и поглотитель до температуры жидкого азота, Мессбауэр впервые наблюдал испускание и поглощение g-квантов без отдачи и доказал возможность указанной выше исключительно высокой точности измерения энергии g-квантов. Позже было обнаружено, что для γ-переходов с очень низкой энергией (Е _γ = 14,4 кэВ, τ = 1,4·10^-7 с для ⁵⁷Fe и E_γ = 23,9 кэВ, τ = 2,8·10^-8 с для ¹¹⁹Sn) эффект Мессбауэра можно наблюдать при комнатных температурах (до 1000 К). Эти нуклиды в настоящее время чаще всего используются в задачах ядерной физики и физике твердого тела.

Схема опыта по обнаружению резонансного поглощения γ-квантов следующая (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Схема опыта по обнаружению резонансного поглощения γ-квантов

Источник g-излучения, поглотитель (содержит те же ядра, что и источник) и детектор γ-излучения располагаются на одной линии. Для обнаружения эффекта изменения поглощения оказывается достаточным перемещение источника и поглотителя относительно друг друга со скоростью в несколько мм/с.

Высокая точность измерения энергии g-квантов, присущая эффекту Мессбауэра, обеспечивает высокое разрешение спектральных исследований g-излучения.

Например, в 1959 г. Паунд и Ребка измерили смещение мессбауэровской линии в гравитационном поле Земли, используя в качестве измерительной базы башню высотой всего 22,6 м. Тем самым было экспериментально доказано в земных условиях действие гравитации (т.н. красное смещение) на фотоны, имеющие массу покоя равной нулю, предсказываемое общей теорией относительности. Прежде для этой цели использовались астрофизические измерения отклонения световых лучей далеких звезд во время солнечных затмений.

Эффект Мессбауэра позволяет наблюдать сверхтонкое расщепление ядерных уровней, вызванное взаимодействием магнитных моментов ядер с магнитным полем электронной оболочки атома, относительная величина которого составляет 10^-12 ÷ 10^-10, что примерно в 10^-5 раз меньше соответствующей величины расщепления атомных уровней,вызванных этим же эффектом.

Не представляет труда наблюдать эффекты, вызванные действием поля электронной оболочки на ядро, такие как деформация (наклеп) материала поглотителя и его химический состав, и многое другое. Эффект Мессбауэра находит применение в биологии для установления электронной структуры гемоглобина и проведения соответствующих анализов.