§ 108. Ефект Мессбауера

Атоми з більшою ймовірністю поглинають фотони, енергія яких точно відповідає різниці енергій між нор­мальним і одним із збуджених рівнів атома. Після поглинання атом переходить у збуджений стан і через час життя в цьому стані («10"' —10"" секунд) знову випу­скає фотон тієї самої частоти. При цьому виконується умова Бора:

Таке саме явище резонансного поглинання повинно спостерігатися і в ядер. Ядра також мають квантовані рівні енергії і при переході з одного стану в інший випроміню­ють гамма-промені.

Якщо енергія цих променів збігатиметься з різницею в енергіях рівнів ядер тієї самої речовини, які використо­вуються як поглинач, то ці останні поглинатимуть гамма-

промені з великою ймовірністю, а потім через невеликий інтервал часу знову їх випромінюватимуть. Однак спроби здійснити ядерне резонансне поглинання гамма-квантів довго не вели до успіху. Це зв'язане з тим, що гамма-квант під час випромінювання передає части­ну своєї енергії ядрам віддачі, і енергія, яка залишається в нього, виявляється меншою за різницю енергії рівнів ядра-поглинача.

Можна оцінити ступінь точності, з якою мають збіга­тися лінії випромінювання і поглинання, щоб спостері­гався резонанс. Енергія випромінюваних квантів не строго однакова: спектральна лінія має малу, але скінченну ширину ДЕ (мал. 218), яка випливає із співвідношення неозначеностей:

При випромінюванні гамма-кванта ядро дістав поміт-

ний імпульс віддачіі енергію

В даному випадку

де— час життя ядра в збудженому стані. Чим більший час життя ядра At відносно випускання гамма-кванта, тим точніше задана його енергія і тим вищим є ступінь монохроматичності кванта. Розглянемо для прикладу ядро , яке перебуває в збудженому стані 10~⁷ секунд, і випускає гамма-промені з енергією»

Ширина рівня цього ядра дорівнює:

Для спостереження резонансного поглинання необ­хідно, щоб енергія гамма-променів збігалася з енергією переходу із збудженого стану в основний з точністю до Д£.

На малюнку 219 зображена схема досліду, в якому як поглинач використовується те саме залізов основ-

ному стані. При наявності резонансного поглинання погли­нач випромінює вторинні гамма-кванти тієї самої частоти ізотропно у всіх напрямах. Кількість квантів, які йдуть уздовж осі приладу і потрапляють в детектор, мала б змен­шитися. Цей ефект у перших експериментах виявити не вдалося.

Таку саму кінетичну енергію дістане і ядро-поглинач за рахунок імпульсу при поглинанні фотона; вона також відбирається у гамма-кванта.

Таким чином, частина енергії випущеного гамма-кван­та перетворюється в кінетичну енергію двох ядер, і на збудження ядра-поглинача залишається енергія, що дорівнює:

Як бачимо, передана ядрам кінетична енергія при­близно в мільйон разів перевищує ширину енергетичного рівня, тобто умова Бора не виконується, що й пояснює неудачі перших спроб спостереження ядерного резонанс­ного поглинання гамма-квантів.

Для реалізації резонансного поглинання гамма-квантів ядрами треба якось компенсувати енергію, втрачену кван­томДля цього використовують ефект Доплера: якщо джерело випромінювання рухається в напрямі до поглинача з швидкістю v, то частота випромінювання,

сприйнята поглиначем, зростає на. Отже, і енергія

кванта збільшується наМожна визначити швидкість

руху, необхідну для компенсації енергії, переданої ядрам віддачі, прирівнявшиенергії віддачі:

звідки для джерела

Ця ідея була реалізована в такому досліді. Джерело гамма-випромінювання закріплювалося на роторі ультра-центрифуги. При досить великих обертах резонанс справді відновлювався, що реєструвала апаратура. Таким чином, припущення про причини попередніх невдач виправ­далося, але практично при такому методі використати резонансне поглинання для точних вимірювань було неможливо.

У 1958 р. німецький фізик Р. Мессбауер показав, що у випадку, коли випромінюючі і поглинаючі ядра входять до складу відповідних кристалічних решіток, імпульс від­дачі різко зменшується. Енергія віддачі передається в цьо­му випадку не окремому ядру, а кристалу. Оскільки маса кристала у багато разів більша за масу ядра, то втрати

на віддачу згідно з формулоюстають надзвичай-

но малими; і процеси поглинаннята випромінювання можуть відбуватися практично без віддачі. При цьому зміни частоти гамма-кванта незначні і резонанс можна дістати майже в нерухомій системі. Щоб тепловий рух ядер не порушував спостережуваного резонансу, кристалічний випромінювач і поглинач охолоджують до низьких темпе­ратур (температури рідкого азоту 188 К чи навіть рідкого гелію 4 К).

Резонансне поглинання при усуненні віддачі внаслідок зв'язку іона з кристалічною решіткою дістало назву «ефек-та Мессбауера». За його відкриття Р. Мессбауеру в 1961 р. було присуджено Нобелівську премію. Ефект Мессбауера широко застосовується для точних досліджень енергетич­них рівнів атомних ядер і для вивчення багатьох тонких ефектів у сучасній фізиці твердих тіл.