Эффект Мессбауэра.

Экспериментально установлено, что ядра любых атомов обладают энергетическими уровнями. Они, подобно атомам, могут находиться в возбужденных состояниях и испускать (или поглощать) электромагнитные волны. В отличие от атомов, характерные энергии фотонов, испускаемых ядрами, лежат в диапазоне - лучей. Это означает, что при испускании фотона ядро (атом) получает сильную отдачу. В самом деле, если атом массой испускает - квант с импульсом , то должен выполняться закон сохранения импульса,

, (2.5.1)

где - скорость, с которой движется атом после отдачи. Численное значение этой скорости можно оценить, учитывая, что , и считая энергию - кванта порядка 100 кэВ, а массу атома равной г. В этом случае см/сек. Это значительная скорость и эффект отдачи должен быть заметным. В частности, энергия, уносимая атомом, испытавшим отдачу, равна

, (2.5.2)

где – сдвиг частоты линии излучения, возникший благодаря отдаче.

В указанных выше условиях Дж, а рад/сек. Заметим, что величина сдвига равна по порядку величины частоте видимого диапазона света. Кроме того, иногда эта величина превышает естественную ширину линии излучения - квантов. Такой заметный сдвиг линии излучения приводит к тому, что нарушается условие резонанса для поглощения - квантов такими же, но неподвижными ядрами. Для того, чтобы ядра поглощали - кванты, нужно затратить большую энергию, чем энергия испущенного с отдачей фотона. Это превышение должно равняться удвоенной энергии (2). Таким образом, линии испускания и поглощения сдвинуты на энергию . Для восстановления резонансного поглощения необходимо добиться увеличения энергии испускаемого кванта. Это можно сделать, заставив испускать кванты движущимися ядрами, то есть «включив» доплеровский сдвиг. Оценки показывают, что при этом ядра должны упорядоченно двигаться относительно поглотителя со скоростью около 1 км/сек. Такие скорости движения были достигнуты при размещении изучаемых ядер на поверхности быстро вращающейся центрифуги, чем подтверждено значение эффекта отдачи.

Однако в 1958 году Мёссбауэром в подобных же экспериментах было обнаружено, что резонансное поглощение - квантов наблюдается при значительно меньших скоростях. В опытах Мёссбауэра использовался изотоп иридия 191, испускавший - кванты с энергией 129 кэВ. Опыты проводились при температуре жидкого гелия (4, 2 К) и показали, что необходимая скорость движения излучателя равнялась всего лишь 1, 5 см/сек. Позже эксперименты были повторены с использованием изотопа железа 57. Эти эксперименты проводились при комнатной температуре.

Обнаруженный эффект резонансного поглощения - квантов при малых скоростях движения (или вообще при отсутствии относительного движения излучателя и поглотителя) получил название эффекта Мёссбауэра. Суть эффекта состоит в том, что импульс отдачи передается не изолированному ядру, а кристаллической решетке образца, содержащего радиоактивные ядра. Поэтому при описании эффекта отдачи в условиях эффекта Мёссбауэра нужно в формулах (1) и (2) использовать не массу ядра, а массу кристалла. В результате энергия отдачи становится пренебрежимо малой и условие резонанса между излучением и поглощением не нарушается.

В спектре гамма-излучения твердого тела обнаруживаются резкие линии, не смещенные по частоте, и широкие смещенные линии. Соотношение между интенсивностями этих линий зависит от температуры кристалла. С понижением температуры доля несмещенного излучения возрастает, причем их ширина остается неизменной. Ширина смещенных линий увеличивается с ростом температуры. Смещенные линии в эффекте Мёссбауэра появляются в результате возбуждения фононов. Теория резких и смещенных линий при излучении - квантов в настоящее время разработана достаточно хорошо, а эффект Мёссбауэра нашел важные практические применения.