2.8.Эффект Мёссбауэра

Воптике известно явление, называемое резонансным поглощением. Оно заключается в следующем. Атомы поглощают с большой вероятностью свет такой частоты, которая соответствует разности энергий между нормальным и возбужденным уровнями.

Поглотив свет этой частоты, атом переходит в возбужденное состояние и через промежуток времени τ ~10-7–10-8c вновь испускает

фотон той же частоты. Практически этот эффект наблюдается в том случае, когда излучающими и поглощающими являются атомы одного и того же

Ядра атома также имеют дискретные энергетические уровни, нормальный и возбужденный, и переходы между ними ведут к возникновению излучения или поглощения в виде γ -лучей (рис.

11). Однако попытки осуществить с γ -лучами резонансное погло-

щение долгое время приводили к отрицательному результату. Причина заключается в следующем.

42

Если фотон подобно материальной частице обладает импульсом p0 , то в процессе излучения атомом или ядром фотон должен

Частота испущенного фотона νисп меньше частоты, соответ-

ствующей переходу En → E1 (ν0 > νисп ).

Для возбуждения ядра или атома фотону нужно затратить энергию, большую, чем hν0 , на величину R. Поэтому энергия, необходимая для поглощения света атомом или ядром, равна

Таким образом, частоты линий испускания и поглощения смещены относительно друг друга на величину

43

∆ν = νпогл −νисп = 2hR .

Если импульс фотона в момент испускания равен

где М – масса атома или ядра; с = 3 · 1010 смс – скорость свет в ва-

кууме.

Подсчитаем R в случае атома.

Пусть λ0 = 5 10−5 см= 5000 Å, М = 100 а.е.м., 1 а.е.м. ≈1,7 · 10-24г,

Mc2 = 100 1,7 10−24 9 1020 ≈1011 эВ; 1,6 10−12

Тогда энергия отдачи атома

Rат = (2,5)2 ≈ 3 10−11 эВ, 2 1011

а ширина линии испускания

44

Итак, по сравнению с шириной Гат, энергия отдачи R атома в 104 раз меньше, т.е. R<<Гат. Поэтому для атома наблюдается резонансное поглощение (рис. 11).

В случае ядра энергия γ -фотона составляет

hν0 ≈105 эВ, M =100 а.е.м. Тогда энергия отдачи ядра

(105 )2

Rя = 2 1011 ≈ 0,05эВ.

Ширина линии излучения для ядер

а ширина Г=10−3 эВ.

Поэтому линии испускания и поглощения смещены на расстояние

∆E = 2R =0,1эВ, т.е. 2R я>>Гя.

Линии излучения и поглощения не совпадают (рис. 12) и потому не наблюдается резонансного поглощения для ядер. Однако эти линии частично перекрываются между собой (на рис. 12 – заштрихованная область E0).

45

Так как в реальных условиях ширина линии определяется суммой ширины естественной линии Гя = 10-3эВ и ширины линии,

обусловленной эффектом Доплера D ≈ 0,1эВ (D>>Гя), то ш ирина

линии излучения или поглощения в основном определяется шириной D (рис. 12).

В 1958 г. Мёссбауэр исследовал ядерное резонансное поглощение γ -лучей ядром иридия Ir191 . Энергия соответствующего перехода равна

∆Enm = hv0 =129кэВ =1,29 105 эВ,

а энергия отдачи R = 0,05эВ. Ширина линии ~0,1эВ. Таким обра-

зом, линии испускания и поглощения отчасти перекрываются и частично наблюдается резонансное поглощение. Чтобы уменьшить поглощение, Мёссбауэр решил охладить источник и поглотитель. Однако вместо ожидаемого уменьшения обнаружил усиление резонансного поглощения.

Схема опыта такова (рис.13). Источник и поглотитель помещались внутри вертикальной трубы, охлаждаемой жидким гелием. Источник был прикреплен к концу длинного штока, совершающего возвратно-поступательное движение. Мёссбауэр наблюдал исчезновение резонансного поглощения при линейных скоростях

источника более 2смс . Полученный результат в виде графика

представлен на рис. 14. Результаты опыта указывали на то, что у охлажденного Ir191 линии испускания и поглощения γ -лучей сов-

падают и имеют малую ширину, равную естественной ширине. Это явле-

ние получило название эффекта Мессбауэра, который был открыт

также на ядре Fe57 и ряда других веществ.

Поясним эффект Мёссбауэра. До сих пор мы рассматривали возбужденное ядро как свободное. На самом деле оно входит в состав кристаллической решетки. Если исследуемое ядро связано с решеткой достаточно жестко, то при излучении оно не испытывает отдачи, так как масса решетки с жестко связанным ядром очень велика по сравнению с массой свободного ядра (Мp>>Мя).

Практически можно считать, что масса решетки M p → ∞ . Исполь-

зуя формулу (11), можно рассчитать энергию отдачи решетки с ядром:

46