Резонансне поглинання g-випромінювання
Як уже зазначалося, дискретний спектр g-випромінювання обумовлений дискретністю енергетич них рівнів ядер атомів. Однак, як випливає з співвідношення невизначений ностей (215.5), енергія збуджених станів ядра приймає значення в межах DЕ »h / Dt, де Dt - час життя ядра в збудженому стані. Отже, чим менше Dt, тим більше невизначеність енергії DЕвозбужденного стану. DЕ = 0 тільки для основного стану стабільного ядра (для нього Dt® ¥). Невизначеність енергії квантово-механічної системи (наприклад, атома), що володіє дискретними рівнями енергії, визначає природну ширину енергетичного рівня (Г) .Наприклад, при часу життя збудженого стану, рівного 10 -13 с, природна ширина енергетичного рівня приблизно 10 -2 еВ.
Невизначеність енергії збудженого стану, що обумовлюється кінцевим часом життя збуджених станів ядра, призводить до немонохроматичності g-випромінювання, що випускається при переході ядра із збудженого стану в основний. Ця немонохроматичність називається природною шириною лінії g-випромінювання.
При проходженні g-випромінювання в речовині крім описаних вище (див. § 259) процесів (фотоефект, комптонівське розсіювання, освіта електронно-позитронного пар) повинні в принципі спостерігатися також резонансні ефекти. Якщо ядро опромінити g-квантами з енергією, що дорівнює різниці одного з порушених та основного енергетичних станів ядра, то може мати місце резонансне поглинання g-нзлучення ядрами: ядро поглинає g-квант тієї ж частоти, що і частота випромінюваного ядром g-кванта при переході ядра з даного збудженого стану в основний.
Спостереження резонансного поглинання g-квантів ядрами вважалося довгий час неможливим, так як при переході ядра із збудженого стану з енергією Е а передусім (його енергія прийнята рівною нулю) випромінюється g-квант має енергію Еg дещо меншу, ніж Е, через віддачу ядра в процесі випромінювання:
де Ея - кінетична енергія віддачі ядра. При порушенні ж ядра і переході його з основного стану в збуджений з енергією Еg-квант повинен мати енергію
де Ея - енергія віддачі, яку g-квант повинен передати вбирного ядру.
Таким чином, максимуми ліній випромінювання і поглинання зрушені один щодо одного на величину 2 Ея (рис. 344). Використовуючи закон збереження імпульсу, згідно з яким в розглянутих процесах випромінювання і поглинання імпульси g -кванта і ядра повинні бути рівні, отримаємо
Наприклад, збуджений стан ізотопу іридію 191 77 Ir має енергію 129 кеВ, а час його життя близько 10 - 10 с, так що ширина рівня Г »4 × 10 - 5 еВ. Енергія ж віддачі при випромінюванні з цього рівня, згідно (260.1), приблизно дорівнює 5 × 10 - 2 еВ, т. Е. На три порядки більше ширини рівня. Природно, що ніяке резонансне поглинання в таких умовах неможливо (для спостереження резонансного поглинання лінія поглинання повинна збігатися з лінією випромінювання). З дослідів також випливало, що на вільних ядрах резонансне поглинання не спостерігається.
Резонансне поглинання g-випромінювання в принципі може бути отримано тільки при компенсації втрати енергії на віддачу ядра. Це завдання вирішив в 1958 р Р. Мессбауер (Нобелівська премія 1961 р.) Він досліджував випромінювання і поглинання g-випромінювання в ядрах, що знаходяться в кристалічній решітці, т. Е. В зв'язаному стані (досліди проводилися при низькій температурі). В даному випадку імпульс і енергія віддачі передаються не одному ядру, випромінює (вбирного) g-квант, а всієї кристалічній решітці в цілому. Так як кристал має набагато більшою масою в порівнянні з масою окремого ядра, то відповідно до формули (260.1) втрати енергії на віддачу стають зникаюче малими. Тому процеси випромінювання і поглинання g-випромінювання відбуваються практично без втрат енергії (ідеально пружно).
Явище пружного випускання (поглинання) g-квантів атомними ядрами, пов'язаними в твердому тілі, не впливаючи внутрішньої енергії тіла, називається ефектом Мессбауера. При розглянутих умовах лінії випромінювання і поглинання g-випромінювання практично збігаються і мають дуже малу ширину, рівну природною ширині Г. Ефект Мессбауера був відкритий на глибоко охолодженому 191 77 Ir (з пониженням температури коливання решітки «заморожуються»), а впос ледствии виявлений більш ніж на 20 стабільних ізотопів (наприклад, 57 Fe, 67 Zn).
Мессбауер озброїв експериментальну фізику новим методом вимірювань небаченої раніше точності. Ефект Мессбауера дозволяє вимірювати енергії (частоти) випромінювання з відносною точністю Г / Е = 10 - 15 ¸10 -17. тому в багатьох областях науки і техніки може служити найтоншим «інструментом» різного роду вимірів. З'явилася можливість вимірювати найтонші деталі g -Лінії, внутрішні магнітні і електричні поля в твердих тілах і т. Д.
Зовнішній вплив (наприклад, зєємановських розщеплення ядерних рівнів або зсув енергії фотонів при русі в поле тяжіння) може привести до дуже малої зміщення або лінії поглинання, або лінії випромінювання, іншими словами, привести до ослаблення або зникнення ефекту Мессбауера. Цей зсув, отже, може бути зафіксовано. Подібним чином в лабораторних умовах був виявлений (I960) такий найтонший ефект, як «гравітаційний червоний зсув», передбачений загальною теорією відносності Ейнштейна.