Мёссбауэра эффект (ядерный g-резонанс). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Мёссбауэра эффект (ядерный g-резонанс) - испускание или поглощение g-квантов атомными ядрами в твёрдом теле (обусловленное ядерными переходами), не сопровождающееся изменением колебат. энергии тела, т. е. испусканием или поглощением фононов (без отдачи). Открыт P. Мёссбауэром (R. Mossbauer) в 1958. Таким переходам соответствуют линии испускания и поглощения

-лучей, обладающие естеств. шириной

, где т - ср. время жизни возбуждённого состояния ядра, участвующего в g-переходе (см. Ширина спектральной линии ),и энергией, равной энергии перехода. Благодаря M. э. стали возможными измерения спектров испускания, поглощения и резонансного рассеяния g-квантов низколежащих

кэВ)

и долгоживущих возбуждённых ядерных уровней

с разрешением порядка естеств. ширины уровня Г.

M. э. наблюдается для 73 изотопов 41 элемента. Получены линии с рекордно малыми значениями отношения

С помощью таких линий стали возможными измерения гравитац. красного смещения спектральных линий в земных условиях, до открытия M. э. проявлявшиеся лишь в астр, наблюдениях.

Малые величины абс. значений Г

позволяют проводить измерения сдвигов и расщеплений линий, обусловленных взаимодействием ядра с внутренними электрич. и магн. полями и тем самым получать информацию о структуре, составе, хим. связях и магн. свойствах вещества, содержащего резонансный нуклид. Измерения вероятности M. э., т. е. доли испущенных или поглощённых

-квантов без отдачи, и её зависимости от температуры T позволяют получить сведения об особенностях взаимодействия атомов в твёрдых телах и о колебаниях кристаллической решётки (напр., о фононном спектре). Благодаря этому M. э. широко применяется как метод исследования твёрдых тел с приложениями в разл. областях науки и техники (см. Мёссбауэровская спектроскопия ).За открытие M. э. в 1962 P. Мёссбауэру присуждена Нобелевская премия.

Природа M. э. При испускании или поглощении

-кванта свободное неподвижное ядро приобретает импульс

, где-

энергия

-кванта, и энергию поступат. движения

, где M - масса ядра. В результате энергия испускаемых

квантов оказывается меньше энергии ядерного перехода

на величину R; резонансно поглощаются

-кванты с энергией, большей

на ту же величину. T. о., линии испускания и поглощения смещены друг относительно друга на 2R. В газах за счёт теплового движения и Доплера аффекта происходит уширение -линий на величину

и их небольшое перекрытие (рис. 1, а).

Для ядерных переходов всегда

Ввиду этого действующее сечение резонансного поглощения очень мало; эффект можно увеличить нек-рыми искусств, приёмами, однако и при этом он остаётся трудно наблюдаемым.

В твёрдом теле благодаря взаимодействию атомов энергия отдачи превращается в энергию колебаний кристаллич. решётки (испускание и поглощение фононов). Однако процессы испускания и поглощения

-квантов приобретают вероятностный характер. В среднем на один испущенный

-квант кристаллу передаётся энергия, в точности равная энергии отдачи R. При этом возможны как процессы испускания и поглощения

-квантов с возбуждением

и поглощением фононов

, так и процесс без отдачи, т. е. M. э., когда энергия испускаемых

-квантов с точностью до Г равна энергии ядерного перехода (рис. 1,6).

M. э. можно объяснить на классич. языке без привлечения квантовой механики. Движущееся ядро в возбуждённом состоянии можно рассматривать как излучатель с несущей частотой

с затуханием

подверженный за счёт движения ядра фазовой модуляции. Электрич. поле излучаемой волны

Здесь

- константа,

- волновой вектор

-кванта,

- координата ядра в момент

Несмещённая линия естеств. ширины появляется пои таких движениях ядра, когда среднее по времени

от фазового множителя отлично от О, т. е.:

Величина

определяет интенсивность несмещённой линии и названа фактором Мёссбауэра. Если ядро движется в огранич. пространстве,то только при спец. типах движения

В подавляющем большинстве случаев

Колебат. движение ядра в твёрдых телах носит огранич. характер, и в приближении гармонич. колебаний

смещения ядра от положения равновесия в направлении полёта

-квантов;

- приведённая длина волны излучателя.

лвантовомеханич. рассмотрение приводит также к ф-ле (3), но позволяет учесть при вычислении

как тепловые, так и нулевые колебания атомов. Фактор Мёсс-бауэра во многом аналогичен Дебая - Уоллера фактору, определяющему вероятность упругого рассеяния рентг. лучей и нейтронов в твёрдых телах. С ростом температуры

увеличивается, а

падает. Характер зависимости

определяется MH. факторами: значениями силовых констант, составом и структурой кристалла и т. п. Однако для

-переходов низких энергий

сохраняет заметную величину вплоть до температуры плавления. С увеличением

(уменьшением

резко падает, и для сохранения доступной измерению величины f_M источник и поглотитель обычно охлаждают до

К. При

К за счёт нулевых колебаний

остаётся конечным, и это обстоятельство ограничивает возможности наблюдения несмещённой линии для переходов с большими

В жидкости атомы или молекулы за счёт диффузии могут перемещаться на сколь угодно большие расстояния, поэтому наблюдать несмещённую линию естеств. ширины в жидкостях нельзя. Однако т. к. время жизни возбуждённого ядерного уровня конечно, то, если перемещение за время

мало или сравнимо с

, спектры испускания и поглощения

-квантов не должны сильно отличаться от соответствующих спектров твёрдых тел. Анализ показывает, что при учёте как колебательного, так и диффузионного движений в спектрах поглощения и испускания содержится несмещённая линия, но уширенная на величину

где D - коэф. диффузии (рис. 1,в). Для большинства жидкостей D велики, а линии поглощения и испускания сильно уширены, и их наблюдение затруднено. Исключение составляют жидкости с большой вязкостью .В твёрдых телах при высоких T также наблюдается заметное уширенив несмещённой линии за счёт диффузии.

В твёрдых телах часть спектра испускания и поглощения соответствует процессам с отдачей, т. е. с возбуждением или поглощением фононов. Эта часть распределена по интервалу энергий

, где

- характерная частота фононного спектра. T. к.

то измерения деталей этого распределения невозможны. Исключения составляют случаи, когда в

сильно представлены гармоники с НЧ. Если, напр., возбудить УЗ-колебания достаточно большой интенсивности с частотой

то в спектрах поглощения и испускания наблюдаются дополнит, линии (сателлиты), отстоящие от несмещённой линии на расстояния

, где n - целое число (рис. 2,а). Сателлиты соответствуют процессам испускания

-квантов с возбуждением и поглощением УЗ-фононов.

Рис. 2. Спектры испускания и поглощения g-лучей в твёрдых телах при ультразвуковой накачке частоты (а) и при ограниченной диффузии (б).

В больших биол. молекулах или сложных хим. веществах отд. фрагменты молекул могут занимать не одно, а неск. устойчивых равновесных положений, и при достаточно высоких T происходят случайные переходы фрагмента из одного состояния в другое. T. к. движение фрагмента ограничено в пространстве, то спектры поглощения и испускания ядер, входящие в состав таких фрагментов, содержат несмещённую линию естеств. ширины. Кроме этой линии наблюдаются дополнит, линии лоренцевой формы (рис. 2,6), отражающие характер "перескокового" движения, к-рое можно рассматривать как диффузию в огранич. пространстве.

Движение ядер приводит к температурному сдвигу линии за счёт эффекта Доплера второго порядка на величину

, где

- скорость движения излучающего или поглощающего ядра. Сдвиг очень мал

, и только благодаря узости несмещённых линий его можно наблюдать. С увеличением температуры

увеличивается и энергия испускаемых и поглощаемых

-квантов уменьшается. При высоких T независимо от агрегатного состояния вещества

и соответственно:

Эффект Доплера второго порядка проявляет себя по-разному в разд. агрегатных состояниях. В газах наряду со сдвигом линии

возникает и уширение линии

, сравнимое с

В твёрдых телах

намного меньше сдвига линии и практически не наблюдается.

Наблюдение M. э. возможно с помощью спектрометра, схема к-рого приведена на рис. 3. Источнику

-квантов сообщается скорость u (относительно) поглотителя, при этом энергия g-кванта за счёт эффекта Доплера меняется на величину

Скорости в интервале 0,1 - 10 см/с приводят к смещению линии на величину

Поглотитель содержит те же ядра, что и источник, но в основном состоянии. Меняя скорость v, можно совместить или раздвинуть линии испускания и поглощения.

Если линии в источнике и поглотителе сильно раздвинуты, то поглощение

-квантов происходит за счёт нерезонансных процессов (в основном за счёт фотоэлек-трич. поглощения атомарными электронами и эффекта Комптона). При совмещении линии общее сечение поглощения увеличивается, а число прошедших через поглотитель

-квантов, регистрируемых детектором, уменьшается.

рис. 4. Зависимость относительной разности интенсивностей I g -излучения, проходящего через иридиевый (I^1r) и платиновый ( I^pt) поглотители, от скорости v источника относительно поглотителя.

Экспериментально можно не только обнаружить резонансное поглощение, но и исследовать форму линии поглощения. На рис. 4 приведены результаты эксперимента Мёссбауэра, в к-ром изучалось резонансное поглощение g-лучей с энергией

=129 кэВ, испускаемых при переходе ядра ¹⁹¹Ir из первого возбуждённого состояния в основное (рис. 5). Источником служила пластинка металла ¹⁹¹Os (см. ниже).

Источник и поглотитель ¹⁹¹Ir поддерживались при T = 77 К (платиновый поглотитель использовался для измерения нерезонансного поглощения). Наблюдаемая ширина провала отвечает ширине возбуждённого уровня ¹⁹¹Ir (Г = 5· 10^-6эВ).

Источники резонансных g-квантов представляют собой обычно радиоакт. ядра с большим периодом полураспада

введённые в твердотельную матрицу (

от неск. часов до неск. лет). В результате ядерных превращений (К-захвата или a-распадов) и последующего каскада g-переходов образуется возбуждённое ядро, испускающее резонансные g-кванты (рис. 5). В первом эксперименте Мёссбауэра источником служил р-ра-диоактивный ¹⁹¹Os. Ядра в возбуждённом состоянии получаются в ходе ядерных реакций [напр., ⁴⁰K в результате реакции

и при кулонов-ском возбуждении ядер

. Удалось выделить резонансные

-кванты из синхротронного излучения (с помощью дифракции

-квантов на ядрах), в частности линию с энергией 14,4 кэВ, соответствующей энергии перехода ядра

с монохроматичностью

т. е. сравнимой с Г переходом ядра

Это открывает возможности получения мощных и узконаправленных источников резонансных g-квантов.

Сечение резонансного поглощения

-квантов s_резв твёрдых телах определяется длиной волны

-излучения, вероятностью M. э. (f_M), спинами ядер в основном (I₀) и возбуждённом (I_B) состояниях, а также вероятностью процесса конверсии внутренней

Здесь К - коэф. внутренней конверсии. Величина K(1+ K) определяет вероятность того, что поглотившее

-квант ядро перейдёт затем в осн. состояние, передав энергию атомарным электронам. Коэф.

появляется как следствие квантовомеханич. эффекта - интерференции резонансного и нерезонансного (фотоэффект) процессов поглощения, имеет заметную величину лишь для переходов мультипольности El. Линии поглощения g-квантов в переходах El имеют ярко выраженную асимметрию (рис. 6). Для переходов др. мультипольности коэф.

пренебрежимо мал и энергетич. зависимость сечения поглощения имеет лоренцеву форму. В твёрдом теле возможно упругое резонансное рассеяние g-кантов на ядрах, при к-ром энергии рассеянных

и падающих

-квантов

строго равны. Сечение такого процесса s_упр пропорц. произведению вероятности поглощения без отдачи (f _M) и вероятности испускания без отдачи

Сечение упругого нерезонансного рассеяния

-квантов и рентг. лучей (напр., на атомарных электронах) пропорц. фактору Дебая - Уоллера, зависящему лишь от передаваемого твёрдому телу импульса.

Процесс упругого резонансного рассеяния происходит как бы в два этапа: резонансное поглощение и затем резонансное испускание. И тем не менее часть упруго рассеянных

-квантов рассеивается когерентно, т. е. разность фаз падающей и рассеянных волн имеет строго определённое значение, зависящее от энергий падающих

-квантов.

Когерентные эффекты. Волны, соответствующие когерентно рассеянным

квантам от двух рассеива-телей, могут интерферировать друг с другом, а в случае, когда резонансно рассеивающие ядра регулярно внедрены в кристаллич. решётку, возможна резонансная ядерная дифракция

-квантов. При определённых направлениях падения

-квантов на кристалл, определяемых Брэгга - Вульфа условием, возникает сильное дифракц. рассеяние, во многом аналогичное дифракц. рассеянию рентг. лучей. Благодаря резонансной ядерной дифракции появляется возможность выделения резонансных

-квантов из синхротронного излучения.

При резонансной ядерной дифракции на совершенных кристаллах, содержащих высокую концентрацию резонансно рассеивающих ядер, имеет место подавление неупругих каналов ядерной реакции. При точном выполнении условия Брэгга - Вульфа по мере увеличения амплитуды дифрагированной волны сечение резонансного поглощения уменьшается и может строго обратиться в 0. При этом полностью прекращаются все неупругие процессы, сопровождающие резонансное поглощение (напр., процесс внутр. конверсии, неупругое испускание

-квантов), а когерентная суперпозиция из падающей и дифрагированной волн распространяется по кристаллу без поглощения. Особенность эффекта подавления состоит в том, что колебания атомов в кристалле не восстанавливают даже частично резонансное поглощение.

Анализ когерентных явлений базируется на концепции коллективного возбуждённого ядра, согласно к-рой невозможно указать положение возбуждённого ядра, образовавшегося после поглощения

-кванта.

Литература по эффекту Мёссбауэра (ядерному g-резонансу)

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.