ефект Мессбауера

Ефект Мессбауера.

З того факту, що спектри випромінювання атомних ядер виникають подібно спектрами випромінювання атомів і молекул, здавалося майже очевидним, що атомні ядра, що випромінюють при переході із збудженого стану в нормальне гамма-кванти з певною частотою повинні в нормальному стані вибірково поглинати такі ж кванти. Резонансне поглинання гамма-кванта має переводити ядро ​​в збуджений стан подібно до того, як поглинання світла переводить в збуджений стан атом або молекулу. Однак спроби

експериментального виявлення резонансного поглинання гамма-квантів такими ж атомними ядрами, якими ці кванти випромінювалися, довгий час були безрезультатними.

Негативні результати дослідів з виявлення резонансного поглинання гамма-квантів мають просте пояснення. Якщо перехід ядра зі збудженого стану в нормальний стан відбувається шляхом випромінювання гамма-кванта, то енергія цього кванта не дорівнює в точності різниці енергій За законом збереження імпульсу при випромінюванні гамма-кванта атомне ядро ​​набуває імпульс, рівний імпульсу излученного гамма-кванта і спрямований у протилежний сторону. Ядро відчуває при випромінюванні фотона віддачу подібно знаряддю при пострілі. У зв'язку з цим звільнена енергія розподіляється між гамма-квантом і ядром. Отже, енергія фотона менше різниці на величину кінетичної енергії ядра, що зазнав віддачу:

Зрозуміло, що енергія цього гамма-кванта менше енергії, необхідної для перекладу такого ж ядра з нормального стану в збуджений:

Німецький фізик Р. Месбауера в 1958 р показав, що в деяких кристалах можна створити такі умови, при яких імпульс віддачі при випромінюванні гамма-кванта повідомляється не окремому ядру, а всьому кристалу в цілому. При цьому зміна кінетичної енергії кристала через велику його маси (в порівнянні з масою одного ядра) наближається до нуля, а енергія, що випромінює гамма-кванта виявляється майже в точності дорівнює різниці При пропущенні пучка таких гамма-квантів через зразок, що містить атомні ядра того ж ізотопу, спостерігається резонансне поглинання.

Чудовою особливістю ефекту Мессбауера є надзвичайно мала ширина спектральної лінії поглинання, т. Е. Вузькість резонансного піку поглинання. Наприклад, при використанні ізотопу заліза резонанс порушується при зміні частоти гамма-кванта на величину складову від його частоти

Це означає, що з'являється можливість зареєструвати зміну енергії гамма-кванта на величину, що становить від її початкового значення!

Використання ефекту Мессбауера дозволило здійснити один з найбільш тонких експериментів сучасної фізики - виявлення гравітаційного червоного зсуву спектральних

ліній. Існування гравітаційного червоного зсуву передбачене загальною теорією відносності. Наводимо тут спрощене пояснення цього ефекту, засноване на використанні закону взаємозв'язку маси і енергії.

Гамма-фотон з енергією володіє масою:

При його переміщенні в полі тяжіння Землі вгору на висоту Н відбувається робота в результаті чого енергія фотона зменшується на величину:

Цьому зменшенням енергії відповідає зменшення частоти:

Звідси визначається відносна зміна частоти кванта:

Для висоти отримуємо:

Таким чином, при русі вертикально вгору на висоту частота будь-якого фотона зменшується на від свого первісного значення. І настільки мале зміна частоти проте вдалося експериментально виявити в 1960 р шляхом використання резонансного поглинання гамма-променів в ядрах ізотопу заліза