Пример

Определить типы и мультипольности γ -переходов:

Изменения состояний атомных ядер, сопровождающиеся испусканием или поглощением квантов электромагнитного поля, называются γ -переходами. Полный момент количества движения

фотона J называется его мультипольностью. Значение спина фотона Jmin =1. Полный момент J может

принимать только целочисленные значения (кроме нуля).

Различаются переходы электрические (EJ) и магнитные (MJ). Для электрических фотонов четность

P = (−1)J . Для магнитных фотонов P = (−1)J +1 .

1:1− →0+ — J =1; P = −1, фотоны типа E1;

2:1+ →0+ — J =1; P = +1, фотоны типа M1;

3:2− →0+ — J = 2; P = −1, фотоны типа M2;

4:2+ →3− — J =1, 2, 3, 4, 5; P = −1, фотоны типа E1, M2,

E3, M4, E5; преобладают фотоны типа E1;

5: 2+ →3+ — J =1, 2, 3, 4, 5; P = +1, фотоны типа M1, E2,

M3, E4, M5; преобладают фотоны типа M1 и E2;

6: 2+ → 2+ — J =1, 2, 3, 4; P = +1, фотоны типа M1, E2,

M3, E4; преобладают фотоны типа M1 и E2.

Изомерныесостояниявядрах

Времена жизни γ-радиоактивных ядер в среднем имеют порядок не более 10−17–10−11 с. Однако в

некоторых случаях при сочетании высокой степени запрета с малой энергией перехода могут наблюдаться γ-радиоактивные ядра с временами

жизни до нескольких часов и даже лет. Такие долгоживущие возбужденные состояния ядер называются изомерами. Примером изомера может

служить изотоп индия 11549 In . Основное состояние

11549 In имеет характеристики 9/2+. Первый

возбужденный уровень имеет небольшую энергию, равную 335 кэВ, и характеристики 1/2–. Поэтому переход между этими состояниями происходит в результате испускания М4 γ -кванта. Этот переход

настолько сильно запрещен, что период полураспада возбужденного состояния 335 кэВ равен 4,5 часа.

Пример

Ядро 12C поглощает Е1 γ -квант.

Какие одночастичные переходы будут при этом происходить?

Основное состояние ядра 12C имеет спин и четность 0+, у него полностью заполнены оболочка 1s1/2 и подоболочка 1p3/2 второй оболочки, При поглощении Е1 фотонов возможны такие переходы нуклонов из второй оболочки на третью и из первой оболочки на вакантные состояния второй, для которых суммарный момент частицы и дырки в образовавшемся состоянии был равен 1. При этом закон сохранения четности будет выполнен, так как четность состояний при переходе из первой оболочки во вторую и из второй оболочки в третью изменяется. То есть четность таких переходов будет отрицательной. Это переходы

1s1/2→2p3/2, 1p3/2→1d5/2, 1p3/2→2s1/2, 1p3/2→1d3/2.

Эффект

Мессбауэра

ЭффектМессбауэра

Резонансное возбуждение атомных уровней фотонами от источника из того же вещества, что и поглотитель, легко наблюдается. Иначе обстоит дело в атомных ядрах. Это связано главным образом с тем, что естественная ширина Г ядерных уровней мала по сравнению с энергией отдачи R ядра-излучателя или ядра-поглотителя. Например, естественная ширина Г первого возбужденного уровня ядра 57Fе, расположенного при энергии возбуждения E = 14.4 кэВ,

равна /τ = 4.6·10-9 эВ (измеренное среднее время жизни τ = 98 нc), тогда как при испускании и при поглощении γ -квантов ядро 57Fе приобретает энергию

отдачи TR ≈ Е2/2Мс2 ≈ 0.02 эВ. Резонансное поглощение

может иметь место только в том случае, когда энергия отдачи ядра R меньше ширины ядерного уровня Г. Мессбауэр, 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, ситуация принципиально изменяется. В этом случае импульс отдачи получает 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 Eγ . Явление резонансного поглощения γ -квантов

получило название эффекта Мессбауэра.

ЭффектМессбауэра

Чтобы наблюдать резонансное поглощение γ-квантов,

испускаемых источником из 57Fе, в поглотителе из 57Fе нужно скомпенсировать энергию отдачи ядер, которая в сумме составляет 2TR=Е2/Мс2. Один из способов такой компенсации состоит в том, что радиоактивный источник закрепляют на движущемся устройстве и подбирают его скорость так, чтобы разница 2TR компенсировалась за счет эффекта Доплера. При изменении скорости v изменяется доплеровское смещение линии испускания относительно линии поглощения и в результате записывается контур линии, как показано на рис. Ширина ядерных уровней столь мала, что источник нужно перемещать со скоростью, составляющей всего лишь десятые доли сантиметра в секунду.

Благодаря эффекту Мессбауэра стали возможными измерения спектров испускания, поглощения и резонансного рассеяния γ-квантов низколежащих (E<200 кэВ) уровней с

Е/Е ~ 10–15–10–17. По смещению линий мессбауэровских спектров определяют молекулярную структуру химических соединений, изучают сверхтонкую структуру спектров, обусловленную электрическим квадрупольным и магнитным дипольным моментами ядер. Уникальные характеристики мессбауэровских спектров используются при анализе физических и химических свойств твердых тел. Эффект Мессбауэра имеет многочисленные применения в медицине и биологии.