G-излучение. Эффект Мессбауэра

В результате a- или b-распада дочернее ядро оказывается в возбужденном состоянии и спустя некоторое время (~10^–13...10^–14 с) отдает избыток своей энергии в виде g-кванта.

При радиоактивных распадах различных ядер длины волн g-излучения расположены в интервале 10^–2...2×10^–4 нм, т.е. это излучение является настолько коротковолновым, что его волновые свойства практически не проявляются. Здесь на первый план выступают его корпускулярные свойства, поэтому g-излучение рассматривается как поток частиц — g-квантов.

Исследования показали, что спектр g-излучения, т.е. распределение g‑квантов по энергиям, является линейчатым. Тем самым подтверждается, что ядро имеет дискретный набор энергетических уровней. В таком случае для g-излучения, как и для атомных спектров, расположенных в оптическом диапазоне, должно наблюдаться явление резонансного поглощения g‑квантов. Это означает, что энергии g-кванта, испущенного каким-либо ядром, должно быть достаточно для перевода другого точно такого же ядра в возбужденное состояние. Однако резонансного поглощения g-квантов долгое время не удавалось наблюдать.

Рассмотрим подробнее процессы излучения и поглощения g-квантов, основываясь на законах сохранения энергии и импульса.

При излучении g-кванта следует учесть, что энергия возбуждения ядра Wn–Wm расходуется не только на излучение фотона с энергией hn_изл, но и частично уходит на сообщение ядру энергии отдачи:

,

(36.18)

Аналогично, при поглощении энергия фотона hn_погл расходуется не только на перевод ядра с уровня энергии Wm на уровень Wn, но и на сообщение энергии отдачи:

,

(36.19)

Из соотношений (36.18) и (36.19) следует

,

(36.20)

т.е. n_изл¹n_погл. Другими словами, резонансного поглощения нет, поскольку линии излучения и поглощения g-спектра сдвинуты друг относительно друга на величину 2W_отд/h (рис. 36.5).

Рис. 36.5

В 1958 г. Р. Мессбауэр установил, что резонансное поглощение g-квантов можно наблюдать, если g-радиоактивные ядра внедрены в решетку кристалла, находящегося при низкой температуре (эффект Мессбауэра). В этом случае ядро «закреплено» в кристалле, поэтому можно считать, что энергию отдачи воспринимает не само ядро, а весь кристалл в целом. Поскольку масса кристалла значительно больше массы ядра, то энергией отдачи можно пренебречь. В самом деле, из закона сохранения импульса следует, что импульс g-кванта равен импульсу ядра, поэтому энергия отдачи ядра

.

Если g-радиоактивное ядро находится в кристалле, то вместо массы ядра следует взять массу кристалла M_кр, поэтому

.

Поскольку M_кр>>M_яд, то , т.е. энергией отдачи кристалла можно пренебречь. В связи с этим

т.е. наблюдается резонансное поглощение g-квантов.

Линии излучения и поглощения и мессбауэровских g-спектров наблюдается в виде очень острых пиков, что позволяет измерять энергии (частоты) с относительной погрешностью 10^–15...10^–17. Тем самым эффект Мессбауэра может служить тончайшим «инструментом» для различного рода измерений во многих областях науки и техники.