книги из ГПНТБ / Каипов Д.К. Ядерный гамма-резонанс и атомные столкновения

В В Е Д Е Н И Е

Известно, что метод ядерного Y-резонансного рассеяния (ЯРР) внес существенный вклад в определение времен жизни как первых, так и высоковозбужденных состояний ядер [1]. Эксперименты с использованием у—-^-совпадений [2] и Р—^-совпадений [3] для источников, распадающихся по схемам р—у—у и р—у, позволили найти варианты тео­ рии р-распада для отдельных р-переходов. В настоящее время появилась надежда, что метод ЯРР может быть также использован для изучения фазовых переходов ве­ щества [4], фононных спектров твердого тела [5] и решения некоторых других прикладных задач [6, 7],

В данной работе мы хотим показать перспективность применения метода ядерного ^-резонансного рассеяния для исследования процессов столкновения атомов в жид­ костях, металлах, твердых соединениях и молекулах газо­ вой среды; описать соответствующие поставленным це­ лям эксперименты и привести их результаты.

Определение характера взаимодействия атомов и мо­ лекул в конденсированных средах является одной из ак­ туальных задач современной физики. Знание законов взаимодействия атомных систем в твердых, жидких и га­ зообразных веществах помогает понять такие важные про­ цессы, как динамика радиационных нарушений в твердых телах, поведение *горячих» атомов в различных средах, а также некоторые особенности физики молекулярных процессов.

За последние семь-восемь лет накоплен достаточный экспериментальный материал, способствующий изуче-

нию законов движения частиц высоких энергий (кэв, Мэв)

втвердых средах [8— 14]. В этой области можно выделить два экспериментальных метода: регистрация ионов, про­ ходящих сквозь тонкие монокристаллы, и измерение про­ бега радиоактивных ионов, останавливающихся в кристал­ ле. Обнаруженное этими методами каналирование частиц

вкристаллах нашло практическое применение. Так, Лутс и др. [14] устанавливали межатомные потенциалы и силы торможения из спектра энергетических потерь каналированных ионов, а Матске и Дэвис [15] методом каналирования изучали локализацию примесей инертного газа в кри­ сталлах КС1, CaF2 и U 0 2 .

Однако перечисленные методы не применимы для исследования движения в конденсированных средах час­ тиц с энергией в области десятков и сотен электрон-вольт, поэтому экспериментальные данные для указанного энер­ гетического диапазона почти отсутствуют. Между тем именно эти области энергий интересны с точки зрения ра­ диационных нарушений в твердых телах и химии «горя­ чих» атомов. Для анализа «горячих» процессов в химии необходимо знать не только вероятности протекания раз­ личных реакций при каждом столкновении в зависимости от энергии атомов отдачи, но и энергетический спектр по­ следних, изменяющийся вследствие потери энергии при со­ ударениях. Предлагаемые модели [16— 48], учитывающие в первом приближении изменение энергии и вероятность химических реакций, нуждаются в эксперименталь­ ной проверке. Для твердых веществ достоверно опреде­ ляется только окончательная фаза, в которой стабилизи­ ровались атомы отдачи. Практический же интерес пред­ ставляет динамика процесса замедления атомов отдачи. Известно, например, что при низких скоростях отдельные реакции не только сильно зависят от кинетической энер­ гии относительного движения, но и могут иметь резонан­ сный характер [19]. Особенно необходимо дополнительное •исследование поведения «горячих» атомов, возникающих в результате радиоактивных распадов. Так, очень слож­ ными оказываются реакции после |3-распада в растворах. Получить количественные данные о первичных процессах, связанных с распадом, в этом случае очень трудно, что от­ мечалось, в частности, в работе [20].

Подобные проблемы возникают и при изучении радиа­ ционных нарушений в твердых телах, которые часто

вызываются вторичными электронами или атомами отдачи с энергией порядка 100 эв ( 2 1 , 22]. Исследова­ ние же законов смещения атомов из узлов решетки имеет не только научное значение, позволяющее лучше понять физические процессы в твердых веществах, но и практиче­ ское в связи с возможностью создания материалов с за­ данными свойствами [22].

Известно, что для необратимого смещения атома из уз­ ла кристаллической решетки необходима энергия Ед>

> 25 эв. Однако не ясно, каким же образом будет рассеи­ ваться полученная атомом энергия при значениях, близ­ ких к Е д. Существуют различные теории, в той или иной мере отвечающие на этот вопрос. Среди них можно отме­ тить теорию фокусировки столкновений [23—25] и концеп­ цию пика смещений, основанную на принципе многочас­ тичного взаимодействия [26], а также теорию замещающих столкновений или парное взаимодействие [27]. В их основе лежат различные допущения. Так, Кинчин и Пиз [27], рассматривая число смещений, возникающих при соуда­ рениях типа «твердых шаров», не учитывают энергию Ед, затрачиваемую на образование смещенного атома; дру­ гие — Зейтц и Харрисон [28] или Снэйдер и Ньюфельд [29] — учитывают потерю этой энергии. Однако отметим, что результаты обоих приближений мало отличаются друг от друга. Существует еще целый ряд усовершенствован­ ных приближений [26, 30, 31], нуждающихся в проверке.

Из сказанного следует, что поиски эксперименталь­ ных методов, позволяющих получить информацию о зако­ нах взаимодействия атомов для области низких энергий в твердых и жидких средах, а также в газовых молекулах, совершенно необходимы. Именно таким эксперименталь­ ным методом оказался метод ядерного ^-резонансного рас­ сеяния.

источника и мишени. Но Ад по сравнению с А для ядер остается по-прежнему малой при больших энергиях пере­ хода. Например, для перехода 1,43 Мэв в 5 2 Сг значение А равно 42 эв, тогда как ширина линии, обусловленная теп­ ловым движением Ад , составляет 1,5 эв. Таким образом, в оптике A<CAzf <СЛ в ядерной физике АЗ>Ад ~>Г или со значительной вероятностью для некоторых ядерных пере­ ходов, когда энергия перехода мала, Л = 0, Дд =0,-Гэ к с п ~-Г'.

В первом случае, как уже было отмечено, для наблю­ дения резонансного рассеяния достаточно освещать атомы 7-квантами, испущенными теми же атомами, во втором необходимо компенсировать потерю энергии на отдачу, равную А=Е0 2 /Мс2 . Третий случай (эффект Мёссбауэра) связан с квантовым явлением в твердых телах. В настоя­ щее время этот эффект широко применяется в науке и технике.

Методы компенсации потери энергии на отдачу при резонансном рассеянии 7-лучей на ядрах

Существуют различные способы компенсации потери энергии на отдачу. Одним из них является нагревание ис­ точника, при котором часть ядер может получить скоро­ сти, обеспечивающие условия резонанса из-за допплеровского упшрения энергий испускаемых 7-квантов.

Впервые этот метод использовал Малмфорс [37] при ис­ следовании резонансного рассеяния ^-излучения с энергией 0,411 Мэв на ядре 1 9 8 Hg . Источник нагревался до 1100°С. Величина эффекта составляла 3 % . Несмотря на незначи­ тельный эффект и ряд экспериментальных трудностей, на­

Чтобы придать излучающим ядрам скорости, необхо­ димые для компенсации потери на отдачу, можно исполь­ зовать механическое движение источника, за счет которо­ го ядра получат дополнительные скорости [36—45]. Экспе­

скорости 7-Ю4 см/сек выход ЯРР от резонансного рассеивателя — ртути — оказался в 2,5 раза больше выхода от нерезонансного рассеивателя — свинца, взятого для срав­ нения.

Одной из интересных работ, выполненных с примене­ нием ультрацентрифуги, является исследование Метцгером резонансного рассеяния 7-квантов на 1,46 Мэв уровне 1 4 8 Sm и 0,96 Мэв уровне l 5 2 S m [44]. При скорости источни­ ка 1,07-105 см/сек (2800 об/сек) резонансный эффект уве­ личивался в два раза. В результате были получены сле­

Наиболее широко используется в настоящее время ме­ тод восстановления резонанса излучениями, предшествую­ щими резонансным у-квантам. В этом случае допплеровское уширение энергии ^-квантов происходит за счет ско­ ростей отдачи, полученных ядрами после (3-, ^-распадов и

.ЙГ-захватов. Такие у-резонансные эксперименты оказались очень плодотворными и дали много интересных научных результатов. Это связано с тем, что выход у-резонансного рассеяния в значительной степени определяется природой предшествующих излучений и взаимодействием атомов от­ дачи с окружающей средой.

Действительно, первые же эксперименты [35, 46, 47] показали, что эффективность отдачи от предшествующих распадов существенно зависит от агрегатного состоя­ ния источника, особенно когда время жизни уровня боль­ ше или равно времени между столкновениями атомов отдачи в среде. Взаимодействие излучающих ядер с окру­ жающими атомами может свести на нет отдачу от пред­ шествующих распадов, поэтому для времен жизни иссле­ дуемых уровней порядка Ю - 1 0 — 5 - Ю - 1 2 сек ядерное у-ре- зонансное рассеяние практически наблюдается только при газообразных источниках. Метод газообразных источни­ ков применяли Метцгер [48], исследуя 835 кэв возбужден­ ное состояние 7 2 Ge и 596 кэв 7 4 Ge, и Делягин со Шпинелем [49], определяя время жизни уровня 1,37 Мэв ядра 2 4 M g .

При использовании молекулярных газообразных ис­ точников на выход ЯРР влияют внутримолекулярные взаимодействия. Например, Грол и Калус [50], применяя газообразный в качестве источника, обнаружили,