Эффект Мессбауэра

Энергия атомного ядра, так же как и атома, молекулы и других квантовых систем, может принимать только дискретный ряд значений (см. Ядро атомное, Квантовая механика). При переходах между состояниями с разрешенными энергиями ядро излучает электромагнитные волны. Частота этих волн обычно такова, что они лежат в области γ-излучения (см. Гамма-излучение). Соответствующие γ-кванты имеют энергию от сотен до нескольких миллионов элекгронвольт.

Будет ли γ-излучение, испущенное одним ядром, поглощаться точно таким же другим ядром? Казалось бы, энергия γ-кванта как раз и равна разности энергий возбужденного и основного (невозбужденного) состояния и такие кванты должны охотно поглощаться ядром (рис. 1). Но обычно такого резонансного поглощения, характеризуемого условием: ħω = E₁ — E₀, не наблюдают. И причина этого — в энергии отдачи.

Когда стреляют из ружья, оно отскакивает назад, так как при выстреле ружье получает такой же импульс, как и пуля (по закону сохранения импульса), а следовательно, и некоторую энергию. В нашем случае энергию отдачи Е_отд получает ядро и, значит, энергия γ-кванта меньше, чем разность энергий уровней E₁ — E₀. При поглощении γ-кванта его импульс передается ядру, и оно начинает двигаться. На это также требуется энергия. Поэтому энергии γ-кванта недостаточно, чтобы возбудить ядро, сообщить ему необходимую энергию E₁.

А можно ли все-таки добиться резонансного поглощения? Известно, что чем больше масса ружья, тем меньше энергия отдачи (это легко понять из законов сохранения импульса и энергии). Само ядро сравнительно легкое, и энергия отдачи нарушает условие резонанса. Ну а если взять кристалл, в котором атомы (а следовательно, и ядра) прочно связаны между собой и образуют кристаллическую решетку? В такой системе становится возможной передача импульса при отдаче всему кристаллу. Энергия отдачи при этом ничтожно мала, и происходит резонансное поглощение γ-квантов.

Именно такой эффект был обнаружен в 1958 г. немецким физиком Р. Мессбауэром и носит его имя. В первых опытах Мессбауэр пользовался радиоактивным источником ¹⁹¹Ir, охлажденным до температуры жидкого азота (80 К), и доля резонансных γ-квантов не превышала нескольких процентов.

Почему же так мало квантов попадало в резонанс? Зачем понадобилось охлаждать источник до столь низких температур? Дело в том, что, даже если ядро находится в узле кристаллической решетки, при отдаче могут возбудиться колебания атомов кристалла. А на это тоже приходится тратить энергию. Вероятность процесса уменьшается с понижением температуры, но для ¹⁹¹Ir даже при температуре жидкого азота она велика. В наше время известны радиоактивные соединения, у которых при комнатных температурах доля резонансных γ-квантов составляет почти половину, так что сейчас охлаждать источник приходится лишь в редких случаях.

Эффект Мессбауэра оказался мощным инструментом для исследования свойств твердых тел. Идея, принадлежащая самому Мессбауэру, состояла в том, чтобы с помощью механического движения источника «расстроить» резонанс.

Каждая колебательная система характеризуется добротностью — отношением частоты колебательной системы к интервалу частот, при которых еще можно наблюдать резонанс. Например, радиоприемник «ловит» все волны в определенном, хотя и узком, интервале частот, и от соседней станции иногда не так-то просто «отстроиться». Чем лучше радиоприемник, тем острее резонанс и тем выше его добротность.

Атомному ядру также можно приписать определенную добротность. Даже если отдачи нет, оно может поглощать γ-кванты в некотором интервале частот вблизи значения (Е₁ — Е₀). Точно так же и при излучении γ-квантов имеется небольшое «размытие» частоты. Иначе говорят, что возбужденное состояние имеет естественную ширину линии Г.

Обычно в ядрах Г ~ 10^-8 эВ. Много это или мало? Надо сравнить с энергией у-квантов. Например, для распространенного радиоактивного источника изотопа олова ¹¹⁹Sn получаем, что соответствующая добротность равна 0,8•10¹². Такой огромной добротности не имеет ни один приемник — в лучших случаях в радиотехнических контурах добротность достигает нескольких сотен.

Итак, γ-резонанс обладает очень высокой добротностью. Поэтому достаточно немного сместить частоту γ-квантов — и резонансное поглощение наблюдаться не будет. Изменять частоту излучения можно с помощью эффекта Доплера. Для этого необходимо двигать источник (или поглотитель) с определенной скоростью. Схема опыта Мессбауэра показана на рис. 2. Как видно из рис. 3, уже при небольших скоростях источника резонанс расстраивается и показания счетчика у-квантов, установленного за кристаллом, заметно возрастают.

Зачем же надо расстраивать резонанс?

Прежде всего таким способом легко определить ширину линии Г возбужденного уровня. Для этого нужно с помощью формулы Доплера пересчитать интервал скоростей, при которых наблюдается резонанс, в интервал частот или энергий γ-квантов. Тем самым можно получить важную информацию об «условиях жизни» ядра в кристалле.

На энергию ядерных переходов влияют электрические и магнитные поля внутри кристалла. Обычными способами заметить это не удавалось, но эффект Мессбауэра обладает рекордной чувствительностью, и соответствующее смещение частоты обнаружить легко. Таким образом, эффект Мессбауэра дает точнейший способ регистрации изменений энергий. Имеется целая отрасль науки — мессбауэров-ская спектроскопия, в развитие которой заметный вклад внесли советские ученые.

С помощью эффекта Мессбауэра американским ученым Паунду и Ребке удалось подтвердить в лабораторных условиях выводы общей теории относительности. Квант света, ускоряясь в гравитационном поле, должен увеличивать свою энергию, и его частота смещается к «фиолетовому концу» спектра (Е = ħω). Наоборот, замедляясь, он смещается к «красному концу» спектра. Можно подсчитать, что при движении в поле тяжести Земли на расстояние ~10 м по вертикали относительное изменение частоты должно составлять ~10^-15. И вот оказалось, что с помощью эффекта Мессбауэра такое смещение удается заметить. γ-резонанс «расстраивается», и, чтобы его восстановить, приходится двигать источник, правда, со скоростью всего лишь несколько микрометров в секунду. Эта величина как раз соответствует смещению частоты, вытекающему из общей теории относительности.