Эффект Мёссбауэра

Эффект Мёссбауэра или ядерный гамма-резонанс, открытый в 1957 или 1958 году Рудольфом Мёссбауэром в Институте им. М. Планка в Гейдельберге (ФРГ), состоит в резонансном испускании или поглощении гамма-фотонов без изменения фононного спектра излучателя или поглотителя излучения соответственно. Иными словами, эффект Мёссбауэра — это резонансное испускание и поглощение гамма-лучей без отдачи. Имеет существенно квантовую природу и наблюдается при изучении кристаллических, аморфных и порошковых образцов, содержащих один из 87 изотопов 46 элементов.

Это незавершённая статья по физике.
Вы можете помочь «Традиции», исправив и дополнив эту статью.

Природа эффекта[править | править код]

При испускании или поглощении гамма-кванта, согласно закону сохранения импульса, свободное ядро массы M получает импульс отдачи $p=E_0/c$ и соответствующую этому импульсу энергию отдачи $R=p^2/(2\cdot M)$ . На эту же величину оказывается меньше по сравнению с разностью энергий между ядерными уровнями $E_0$ энергия испущенного гамма-кванта, а резонансное поглощение наблюдается для фотонов с энергией, равной $E_0+R$ . В итоге, для одинаковых ядер линии испускания и поглощения разнесены на величину 2R и условие резонанса может быть выполнено только в случае совмещения этих линий, либо их частичного перекрытия. В газах энергию отдачи получает одно излучающее ядро массы M, тогда как в твёрдых телах помимо процессов, когда за счёт энергии отдачи возбуждаются фононы, при определённых условиях смещение только одного атома или небольшой группы атомов становится невозможным, и отдачу может испытать лишь весь кристалл целиком. Масса кристалла на много порядков больше массы ядра, а значит и величина R становится пренебрежимо малой.

В 2000 в журнале Hyperfine Interactions Мёссбауэр дал наглядную интерпретацию эффекта:

Ситуация … напоминает человека, прицельно бросающего камень из лодки. Бо́льшую часть энергии согласно закону сохранения импульса получает лёгкий камень, но небольшая часть энергии броска переходит в кинетическую энергию получающей отдачу лодки. Летом лодка просто приобретёт некоторое количество движения, соответствующее отдаче, и отплывёт в направлении, противоположном направлению броска. Однако зимой, когда озеро замерзнет, лодку будет удерживать лёд, и практически вся энергия броска будет передана камню, лодке (вместе с замерзшим озером и его берегами) достанется ничтожная доля энергии броска. Таким образом, отдача будет передаваться не одной только лодке, а целому озеру, и бросок будет производиться «без отдачи».

Если человек натренирован так, что всегда затрачивает на бросок одинаковую энергию, и в цель, расположенную на удалении, он сможет попасть, стоя на том же расстоянии от неё на твёрдом грунте, то при броске камня с лодки отдача будет приводить к «недобросу». Тепловое уширение в этом представлении соответствует волнению на озере, которое увеличивает разброс прицельно бросаемых камней, а неизбежные собственные невынужденные ошибки спортсмена характеризуются естественным разбросом или кучностью бросков, аналогичными естественной ширине спектральной линии излучения/поглощения и времени жизни соответствующего ей возбуждённого состояния ядра.

В процессах испускания и поглощения гамма-квантов без отдачи энергии фотонов с точностью до естественной ширины спектральной линии.

Мёссбауэровские изотопы[править | править код]

**Мёссбауэровские изотопы в периодической системе элементов**
H																	He
Li	Be											B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg											Al	Si	P	S	Cl	Ar
⁴⁰K	Ca	Sc	Ti	V	Cr	⁵⁵Mn	⁵⁷Fe	Co	⁶¹Ni ⁶³Ni	Cu	⁶⁷Zn	Ga	⁷³Ge	As	Se	Br	⁸⁰Kr
Rb	Sr	Y	Zr	Nb	Mo	⁹⁹Tc	⁹⁹Ru	Rh	Pd	¹⁰⁷Ag ¹⁰⁹Ag	Cd	In	¹¹⁷Sn ¹¹⁹Sn	¹²¹Sb	¹²⁵Te	¹²⁷I ¹²⁹I	¹²⁹Xe ¹³¹Xe
¹³³Cs	¹³³Ba	*	¹⁷⁶Hf ¹⁷⁷Hf ¹⁷⁸Hf ¹⁸⁰Hf	¹⁸¹Ta	¹⁸⁰W ¹⁸¹W ¹⁸²W ¹⁸³W ¹⁸⁴W ¹⁸⁶W	¹⁸⁷Re	¹⁸⁶Os ¹⁸⁸Os ¹⁸⁹Os	¹⁹¹Ir ¹⁹³Ir	¹⁹⁵Pt ¹⁹⁶Pt	¹⁹⁷Au	²⁰¹Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Uub	Uut	Uuq	Uup	Uuh	Uus	Uuo

	*	¹³⁹La	Ce	¹⁴¹Pr	¹⁴⁵Nd	¹⁴⁵Pm ¹⁴⁷Pm	¹⁴⁷Sm ¹⁴⁹Sm ¹⁵¹Sm ¹⁵²Sm ¹⁵³Sm	¹⁵¹Eu ¹⁵³Eu	¹⁵⁴Gd ¹⁵⁵Gd ¹⁵⁶Gd ¹⁵⁷Gd ¹⁵⁸Gd ¹⁶⁰Gd	¹⁵⁹Tb	¹⁶⁰Dy ¹⁶¹Dy ¹⁶²Dy ¹⁶⁴Dy	¹⁶⁵Ho	¹⁶⁴Er ¹⁶⁶Er ¹⁶⁷Er ¹⁶⁸Er ¹⁷⁰Er	¹⁶⁹Tm	¹⁷⁰Yb ¹⁷¹Yb ¹⁷²Yb ¹⁷⁴Yb ¹⁷⁶Yb	¹⁷⁵Lu
	**	Ac	²³²Th	²³¹Pa	²³⁴U ²³⁶U	²³⁷Np	²³⁹Pu ²⁴⁰Pu	²⁴³Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr

Открытие эффекта и его значение[править | править код]

Предыстория[править | править код]

Около 1852 Дж. Г. Стокс впервые наблюдал флуоресценцию — поглощение флюоритом падающего света с последующим испусканием света поглотителем. Впоследствии аналогичные исследования проводились с различными материалами.

В 1900 П. Виллард обнаружил гамма-лучи — испускаемое радием монохроматическое электромагнитное излучение с высокой энергией фотонов.

В 1904 Р. Вуд продемонстрировал резонансную оптическую флуоресценцию, которая характеризуется испусканием поглощённой световой энергии в виде излучения той же частоты. Особенно широко известна именно исследованная им резонансная флуоресценция жёлтого дублета натрия.

Ожидание[править | править код]

В 1929 В. Кун предположил возможность и осуществил попытку наблюдения резонансного поглощения гамма-лучей как аналога оптической флуоресценции в ядерной физике. Попытки обнаружения резонансного поглощения гамма-квантов в опытах с неподвижными источником и поглотителем излучения не увенчались успехом. Однако работа Куна ценна тем, что в ней этот швейцарский физико-химик постарался проанализировать причины своей неудачи, выделив три основных источника ослабления поглощения:

тепловое уширение изначально узкой линии ядерного перехода;
дополнительное уширение в связи с возможной отдачей при испускании β-частиц;
существенное смещение линии из-за большой энергии отдачи при излучении гамма-фотонов с комментарием:

… Третий вклад, уменьшающий поглощение, возникает в связи с процессом испускания гамма-луча. Излучающий атом будет испытывать отдачу, обусловленную испусканием гамма-луча. Длина волны излучения, таким образом, испытывает красное смещение; линия испускания смещается относительно линии поглощения… Возможно, поэтому, что из-за значительного гамма-смещения вся линия испускания покидает область линии поглощения… [1]

Кун здесь, правда, рассматривал только смещение и уширение линии испускания, не обращая внимания на эффект Доплера и отдачу ядра при поглощении гамма-фотона.

Обнаружение[править | править код]

В 1950—1951 британский физик Ф. Б. Мун опубликовал статью, в которой впервые описывал экспериментальное наблюдение эффекта. Идея эксперимента заключалась в том, чтобы разместить источник гамма-излучения ¹⁹⁸Au на ультрацентрифуге, тем самым обеспечивая компенсацию энергии отдачи доплеровским смещением спектральной линии. Считая наблюдаемый эффект резонансным ядерным рассеянием гамма-квантов, он описал резонансную ядерную флуоресценцию.

Примерно в это же время шведский учёный К. Мальмфурс исследовал поглощение гамма-квантов в той же комбинации ¹⁹⁸Au и ¹⁹⁸Hg, пытаясь добиться увеличения поглощения за счёт теплового уширения линий нагреванием золота в пламени паяльной лампы. Действительно, количество отсчётов немного возросло, и Мальмфурс сообщил в своей статье, что

…Условие резонансного эффекта выполняется в тех случаях, когда направленная в сторону поглотителя компонента тепловой скорости [источника], направленная в сторону рассеивающего вещества (ртути), компенсирует отдачу ядра…

Обоснование[править | править код]

В 1953 профессор Мюнхенского технического университета Г. Майер-Лейбниц назначил своему аспиранту Рудольфу Мёссбауэру тему магистерской диссертационной работы: продолжение исследований температурно зависимого поглощения гамма-излучения, начатых Мальмфурсом с использованием ¹⁹¹Os и, в качестве дополнительной задачи, определение в то время не известной величины энергии бета-распада осмия-191. После защиты Мёссбауэром магистерской диссертации, Майер-Лейбниц предложил ему продолжить работу по этой теме, готовя диссертацию доктора философии (PhD) в Гейдельбергском институте медицинских исследований им. Макса Планка. Несмотря на настойчивые указания научного руководителя следовать методу Мальмфурса и искать перекрытия линий испускания и поглощения в области высоких температур, Мёссбауэр проявил самостоятельность, рассчитав, что удобнее, напротив, сконструировать криостат для охлаждения образцов до температуры жидкого азота. При этом он ожидал наблюдать такую температурную зависимость поглощения, при которой перекрытие линий становится слабее, а частота отсчётов квантов прошедшего через поглотитель излучения должна возрастать. Получив обратный результат, то есть усиление резонансной ядерной гамма-флуоресценции, он преодолел чрезмерный скепсис и тщательно обдумал результат. В результате Мёссбауэр понял, что использовавшаяся полуклассическая концепция излучающих и поглощающих ядер как свободных частиц для твёрдых тел не подходит: в кристаллах атомы сильно связаны друг с другом и характеризуются существенно квантовым поведением.

Признание[править | править код]

В 1961 году за открытие и теоретическое обоснование явления ядерного гамма-резонанса Р. Л. Мёссбауэру была присуждена Нобелевская премия по физике (совместно с Р. Хофштадтером, получившим премию за свои исследования рассеяния электронов на ядрах).

Применения эффекта Мёссбауэра[править | править код]

Метод ядерного гамма-резонанса используется в физическом материаловедении, химии, минералогии и биологии (например, при анализе свойств Fe-содержащих групп в белках). Эффект поглощения излучения усиливают путём обогащения образца мёссбауэровскими изотопами, повышая, например, содержание ⁵⁷Fe в пище подопытных животных. Одним из впечатляющих применений метода стал эксперимент Паунда и Ребки, которые в 1960 г. измерили в лабораторных условиях гравитационное смещение гамма-квантов, предсказываемое общей теорией относительности.

В минералогии эффект Мёссбаура применяется главным образом для определения структурного положения ионов Fe и определения степени окисления железа.

Эксперименты на основе эффекта Мёссбауэра[править | править код]

Эксперимент на основе эффекта Мёссбауэра стал одним из доказательств правильности общей теории относительности.

Ссылки[править | править код]

http://messbauer.iem.ac.ru/rus/index.php