МЕССБАУЭРА ЭФФЕКТ

Содержание статьи

• Применение эффекта Мёссбауэра.
• Проверка закона сохранения четности.

МЁССБАУЭРА ЭФФЕКТ, физический процесс, в котором ядра атомов, связанные в твердом теле, испускают и поглощают g-кванты (коротковолновое рентгеновское излучение) без изменения внутренней энергии (т.е. без отдачи). Спектральные линии упругого испускания и поглощения g-лучей чрезвычайно узки (10^–5–10^–10 эВ, относительная ширина 10^–10–10^–15), что позволяет использовать эффект Мёссбауэра для измерения малых сдвигов энергии (частоты) g-квантов, вызванных теми или иными воздействиями на ядро.

Открытый в 1958 немецким физиком Р.Мёссбауэром, эффект основан на известных теоретических принципах, которые Мёссбауэр впервые применил к процессам g-излучения. Когда атом кристалла, поглощая или излучая энергию, приобретает небольшой импульс, он обычно претерпевает отдачу, излучая звуковые волны (фононы), и его энергия уменьшается. При испускании g-кванта ядро отдачи движется со скоростью, примерно равной скорости звука в кристалле v_зв., и доплеровский сдвиг частоты испускаемого излучения, обусловленный этим движением, составляет примерно v_зв./c, где c – скорость света. Это отношение обычно равно ~10^–6. Энергия кванта пропорциональна его частоте, и при вылете из кристалла квант теряет примерно одну миллионную долю своей энергии. См. также ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ.

Аналогичная картина наблюдается при поглощении g-кванта. Естественная ширина линии Dn связана со временем жизни возбужденного состояния t соотношением Dn = 1/t. Следовательно, относительная ширина линии равна:

Для долгоживущих возбужденных состояний эта величина составляет 10^–10–10^–15, так что доплеровский сдвиг может в миллион раз превышать естественную ширину линии. В результате ядро оказывается неспособно поглощать собственное излучение. Спектральные линии испускания и поглощения для неупругих переходов сдвинуты по разные стороны относительно E₀ (энергии ядерного перехода при упругом столкновении) и сильно уширены. Можно показать, что при испускании или поглощении ядром g-кванта системе, содержащей это ядро, передается энергия R @ E₀²/2Mc² (энергия отдачи), где M – масса ядра, c – скорость света. Отсюда следует, что упругий переход имеет заметную вероятность, когда энергия кванта колебаний кристалла превышает энергию отдачи, т.е. когда энергии отдачи недостаточно для генерации фононов. Это условие будет выполняться при такой энергии g-квантов, когда l > x_ср.кв., где l – длина волны l-излучения, x_ср.кв. – среднеквадратичное смещение излучающего или поглощающего ядра от положения равновесия. Для возникновения упругих переходов требуется также, чтобы тело было твердым, а его температура – не слишком высокой. Мёссбауэровский эффект может наблюдаться на ядрах стабильных изотопов, обладающих возбужденным уровнем, из которого имеется прямой переход в основное состояние, причем энергия перехода достаточно мала (примерное условие R < 0,1 эВ). Этим условиям удовлетворяет ~80 изотопов, а мёссбауэровский эффект наблюдается в 20 из них, в том числе у Fe⁵⁷, Sn¹¹⁹, Zn⁶⁷.

Применение эффекта Мёссбауэра.

Подтверждение принципа эквивалентности.

Один из наиболее значимых результатов, полученных благодаря применению эффекта Мёссбауэра, состоял в подтверждении эйнштейновского принципа эквивалентности. Согласно этому принципу, лежащему в основе общей теории относительности, физические явления в поле тяготения неотличимы от явлений, наблюдаемых в неинерциальных (движущихся с ускорением) системах отсчета. В частности, поведение тел на Земле не изменится, если вместо ускорения силы тяжести появится ускорение, направленное вверх и равное 9,8 м/с² (ускорение свободного падения). Предположим, что квант света движется сверху вниз с высоты h над уровнем Земли. Он пройдет это расстояние за время h/c. Если бы все это время Земля двигалась вверх с ускорением g, то скорость кванта составила бы gh/c, и наблюдатель, находящийся на Земле, зарегистрировал бы доплеровское смещение длины волны света в сторону более коротких волн Dn/n = gh/c². Согласно принципу эквивалентности, точно такое же смещение должно наблюдаться и в поле тяготения Земли. В эксперименте, поставленном в 1960 в Гарварде Р.Паундом и Г.Ребкой, было зарегистрировано смещение 5Ч10^–15 от энергии g-кванта, испускаемого источником. Полученный результат совпадал с вычисленным теоретически с точностью до погрешности эксперимента, составлявшей 4%.

Измерение магнитных полей в окрестности ядер.

Наличие в окрестности ядра магнитного поля приводит к расщеплению энергетических уровней ядра (эффект Зеемана) и как следствие – к расщеплению линий в спектре Мёссбауэра. Измеряя величину расщепления, можно определить магнитное поле. Для ядер Fe⁵⁷ в металлическом железе получено значение напряженности поля 333 кэВ (26,5Ч10⁶ А/м) при 77 К, причем направление поля противоположно направлению намагниченности образца. Причина, по которой локальное поле имеет столь большие отрицательное значение, пока не найдена.

Исследование свойств кристаллов.

С помощью эффекта Мёссбауэра по сдвигу линий в спектре можно определить неоднородности электрических полей вблизи ядер, обусловленные влиянием кристаллической решетки.

Исследование свойств ядер.

Эффект Мёссбауэра позволяет измерить магнитный момент ядра, находящегося в возбужденном состоянии, если известен его момент в основном состоянии. Такие данные необходимы для проверки теоретических моделей поведения возбужденных ядер.

Проверка закона сохранения четности.

Если бы ядерные взаимодействия не обладали пространственной симметрией, то наблюдалась бы асимметрия в мёссбауэровском спектре при зеемановском расщеплении уровней в случае испускания g-квантов параллельно и антипараллельно магнитному полю. Отсутствие такой асимметрии свидетельствует о том, что ядерные взаимодействия в высшей степени симметричны.
См. также АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ; РАДИОАКТИВНОСТЬ; ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ.