37. Эффект Мессбауэра

Резонансное возбуждение атомных уровней фотонами от источника из того же вещества легко наблюдается. Иначе обстоит дело в атомных ядрах. Это связано с тем, что естественная ширина Г ядерных уровней мала по сравнению с энергией отдачи Ея ядра-излучателя (источника) или ядра-поглотителя (мишени). Например, естественная ширина Г первого возбужденного уровня ядра ⁵⁷Fe, расположенного при энергии возбуждения Е = 14,4 кэВ, равна ħ/τ≈0,7 10^-8 эВ (время жизни τ = 98 нc), тогда как при испускании и поглощении γ-квантов это ядро приобретает энергию отдачи Ея≈Е²/(2Мс²)≈1,7 10^-3 эВ (М - масса ядра ⁵⁷Fe). Резонансное поглощение может иметь место только тогда, когда энергия отдачи ядра Ея меньше ширины ядерного уровня. Р. Мёссбауэр, исследуя явление резонансного поглощения γ-квантов в кристаллах, обнаружил, что число поглощенных фотонов существенно увеличивается при понижении температуры. Связано это с тем, что при переходе от свободных ядер к ядрам, связанным в кристаллической решетке, импульс отдачи получает уже не отдельное ядро, а весь кристалл, в котором находится ядро, испускающее γ-квант. С уменьшением температуры источника увеличивается относительное число ядерных переходов с передачей импульса отдачи всему кристаллу. Условия для этого тем благоприятнее, чем ниже температура кристалла и энергия перехода Еγ. Это явление получило название эффекта Мёссбауэра. Чтобы наблюдать резонансное поглощение мишенью из невозбужденных ядер ⁵⁷Fe γ-квантов, испускаемых возбужденными ядрами ⁵⁷Fe, нужно скомпенсировать энергию отдачи ядер, которая в сумме составляет 2Ея. Один из способов такой компенсации состоит в том, что источник закрепляют на движущемся устройстве и подбирают его скорость так, чтобы разница 2Ея компенсировалась за счет эффекта Доплера (левый рисунок). При изменении скорости v изменяется доплеровское смещение линии испускания относительно линии поглощения и в результате записывается контур линии, как показано на правом рисунке. Ширина ядерных уровней столь мала, что источник нужно перемешать со скоростью, составляющей всего лишь десятые доли сантиметра в секунду.

Благодаря эффекту Мёссбауэра стали возможными измерения спектров испускания, поглощения и резонансного рассеяния γ-квантов низколежащих (Е < 200 кэВ) ядерных уровней с разрешением порядка естественной ширины уровня Г. С помощью этого метода можно измерять энергию с относительной точностью ΔЕ/Е ≈10^-15 – 10^-17. По смешению линий мёссбауэровских спектров определяют молекулярную структуру химических соединений, изучают сверхтонкую структуру спектров, обусловленную электрическим квадрупольным и магнитным дипольным моментами ядер. Уникальные характеристики мёссбауэровских спектров используются при анализе физических и химических свойств твердых тел. Эффект Мёссбауэра имеет многочисленные применения в медицине и биологии.

26. Радиоактивные ряды

В естественных условиях на Земле существует около 40 α-радиоактивных изотопов, которые объединены в три радиоактивных ряда (семейства), которые включают ²³⁶U (А = 4n, где n - целое число), ²³⁸U (А = 4n + 2), ²³⁵U (А = 4n + 3). К ним можно с некоторой натяжкой, так как изотопы этого ряда успели распасться за время существования Земли, отнести четвертый ряд, который включает ²³⁷Np (А = 4n + 1). После цепочки последовательных распадов в конце каждого ряда образуются стабильные ядра с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z = 82, N = 126), соответственно ²⁰⁸Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁹Bi. α-распады перемежаются β-распадами, так как при α-распадах конечные ядра оказываются все дальше от линии β-стабильности, т. е. перегружены нейтронами.