Семестр_4_Лекция_24 (Отличные лекции от Семиколенова), страница 3

е. поглощение ядром γ- излучения, энергия которого точно равна энергии перехода∆Е, необходимо, чтобы линии испускания и поглощения перекрывались. Это означает, чтодолжно выполняться соотношениеΓ ≥ WЯ .В случае изолированного ядра ширина Г линии излучения является естественной шириной, задаваемой соотношением неопределенностей Γ = , где τ — время жизни ядра в возбужденномτсостоянии.Оценки ширины линии излучения, испускаемого ядром, и энергии отдачи WЯ при испускании γ-квантов ядром показывают, что резонансное поглощение γ-квантов изолированными ядрами свободных атомов невозможно, т.к.

Γ << WЯ .Совсем иначе обстоит дело, если ядро принадлежит атому, находящемуся в узле кристаллической решетки. В этом случае существует вероятность того, что импульс отдачи будетпередан не испускающему γ-квант ядру, а всему кристаллу в целом. При этом энергию отдачиEγ2также можно определить из выражения WЯ =, в котором массу ядра МЯ нужно заменить2M Я c 2на массу всего кристалла WЯ =Eγ2. Поскольку масса кристалла неизмеримо больше массы2 Mc 2ядра, то энергия отдачи, передаваемая излучающим ядром кристаллу, ничтожно мала по сравнению с естественной шириной линии Γ >> WЯ .Таким образом, ядра, находящиеся в кристалле, могут испускать γ-кванты с энергией,практически точно равной энергии ядерного перехода Еγ = Е0, и с естественной шириной линииГ. Эти γ-кванты могут поглощаться такими же ядрами, находящимися в другом кристалле,причем импульс отдачи с определенной вероятностью также может быть передан не поглощающему ядру, а всему кристаллу.

В таком процессе ядро поглощает энергию, точно равнуюэнергии возбуждения (разности значений энергий основного и возбужденного состояний ядра)7Семестр 4. Лекция 24.∆E. ЭТО означает, что если ядра находятся в кристалле, т. е. в связанном состоянии, то для нихстановится возможным резонансное испускание и поглощение γ-излучения. В этом и состоитсуть эффекта, открытого в 1958 г. немецким физиком Р. Мессбауэром и названного его именем.Рудольф Людвиг Мёссбауэр (Rudolf Ludwig Mößbauer, рожд. 1929) — немецкий физик,специалист в физике атомного ядра и элементарных частиц, лауреат Нобелевской премии пофизике за 1961 год.Ядра, для которых наблюдается эффект Мессбауэра, называются мессбауэровскими ядрами, а резонансное γ-излучение, испускаемое такими ядрами - мессбауэровским γ-излучением.В случае мессбауэровского γ-излучения отсутствует доплеровское уширение линии, связанное с тепловыми колебаниями атомов в узлах кристаллической решетки.

Т.к. период тепловых колебаний атомов составляет Т~10-12 ...10-13 с, то время жизни мессбауэровского ядра ввозбужденном состоянии τ оказывается намного больше (τ ~10-7 ...10-9 с). Находясь в возбужденном состоянии, ядро успевает много раз изменить направление своей скорости, так что еесреднее значение практически равно нулю.У мессбауэровской линии поглощения чрезвычайно малая ширина ∆E. Как следует изрезультатов эксперимента, чтобы нарушить ядерный γ-резонанс за счет эффекта Доплера, оказывается достаточно двигать источник относительно поглотителя со скоростью всего лишьоколо 1 мм/с.Таким образом, благодаря эффекту Мессбауэра, исследователи получили метод с уникальным энергетическим разрешением∆E Γ=.EE0Для наиболее широко используемого на практике мессбауэровского изотопа 57Fe это разрешение составляет 10-13, а для изотопа 67Zn оно достигает 5⋅10-16 .

Значение открытия Мессбауэрабыло столь велико, что уже через три года (в 1961 г.) Р. Мессбауэр был удостоен Нобелевскойпремии по физике.В настоящее время эффект Мессбауэра находит очень широкое и разнообразное практическое применение. Он используется в физике твердого тела, ядерной физике, химии, биологии,геологии, медицине, археологии, многочисленных технических приложениях.С помощью эффекта Мессбауэра был выполнен ряд уникальных экспериментов, в томчисле таких, осуществление которых до его открытия считалось невозможным. В первую очередь это относится к наблюдению предсказанного теорией относительности гравитационногокрасного смещения — изменения частоты фотона в гравитационном поле Земли. Исследователиназвали этот эксперимент опытом по измерению «кажущегося веса фотона».

Расчеты показывают, что относительное изменение частоты фотона при его подъеме на высоту h = 20 м со∆ωставляет= 2 ⋅10−15 . Это ничтожно малое смещение частоты было обнаружено в эксперименωте, проведенном Р. Паундом и Г. Ребкой с помощью эффекта Мессбауэра в 1959 г. Данные измерений составили 0,99 ± 0,05 от значения, предсказанного теорией.8.