Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 122
Текст из файла (страница 122)
е. Ьй = О. Величина йг(г в оптической области ничтожна, так как энергия испускаемого фотона (равная энергии возбуждения атома й) порядка одного или нескольких электронвольт. Даже для самого легкого атома — атома водорода (Мс 10 зВ) — - получается Ьй = 1 /10" - 10 " эВ. Линии испускания и поглощения 7-квантов сдвинуты относительно друг друга на величину з 76) Эффект Мессбауэра 489 По этой причине в оптической области спектра резонансное поглощение света атомами легко наблюдается.
Не тк обстоит дело для у-лучей. Энергия 7-квантов, испускаемых ядрами, примерно в 10ь раз больше, а следовательно, сдвиг Ьеа в 10 раз больше, чем в оптической области. Поэтому долгое время считалось, что осуществить резонансное поглощение у-квантов невозможно. Казалось бы, что сдвиг Ьу можно устранить, приведя в движение излучающее ядро в направлении к поглощающему. Тогда из-за эффекта Доплера энергия излучаемого 7-кванта увеличится, а скорость движения можно подобрагь так, чтобы величина Ь!! обратилась в нуль.
Того же самого можно достигнуть приближением поглощающего ядра к испускающему. Однако здесь не принято во внимание, что источник испускает, а поглотитель поглощает не бесконечно тонкую линию, а линию конечной ширины. Для возможности резонансного поглощения необходимо, конечно, чтобы линии испускания и поглощения перекрывались, т. е. должно быть ~яд~ (76.4) где à — полуширина линии. 3. Уширение линии обусловлено различными причинами. Г!режде всего су|цествуе г доплерввское уширение спектральных линий, обусловленное тепловым движением атомов. Доплеровская пвлушираиа линии Ьи может быть оценена по формуле Лад,„1 ) 2И' (76.5) и с'1' М„„' где !с — постоянная Больцмана, а Т вЂ” термодинамическая температура источника (см.
т. 1Ч, з 89). Если полуширину выражать в энергетических единицах (Г = йЬр), то эта формула преобразуется в ! 2кТ Г дап ')/ суМ„„' (76.6) 6 1 аат г (76.7) Посмотрим теперь на примере, выполняется ли условие (76.4) в оптической области и в области 7-лучей. В качестве примера возьмем так как в рассматриваемом случае энергию у-кванта можно с большой точностью положить равной энергии возбуждения ядра.
Доплсровское уширение играет основную роль в случае источника, содержащего много атомов или атомных ядер. Оно, очевидно, пропадает, когда излучателем является изолированный атом или изолированное ядро, так как в этом случае говорить о тепловом движении но имеет смысла. Движение изолированного атома или ядра сказывается на смещении спектральных линий, но не на их уширении. В случае изолированного ядра ширина линии называется естественной шириной. Она может быть оценена по времени жизни т возбужденного ядра с помощью соотношения неопределенностей [ Гл. 1Х Радиоактивность 490 ядро изотопа железа Яре. Энергия возбуждения первого уровня этого ядра равна 14 кэВ, л.
е, для у-лучей это совсем малая величина. Время жизни его т 10 в с, а естественная ширина линии Г, -10 В. Кинетическая энергия ядра железа, приобретаемая нм согласно формуле (76.1) при испускании у-кванта, будет Ь;л = „- = 0,00183 эВ, (14 10 )г 2 57 938 10 т. е. примерно в 10в рвз превышает естественную ширину спектральной линии.
О выполнении условия (76.4) не может быть и речи. Поэтому резонансное поглощение 7-квантов на изолированных неподвижных ядрах невозможно. Иначе обстоит дело в случае оптических фотонов. В этом случае, согласно той же формуле (76.1), кинетическая энергия ядра отдачи порядка 1г К„л гэ =10 "эВ. 2 57 938 10 Взяв для естественной ширины линии прежнее значение 10 в эВ (это очень узкая линия), видим, что условие (76.4) хорошо выполняется. Поэтому-то резонансное поглощение оптических фотонов происходит и на изолированных атомах. 4. Обратимся теперь к испусканию и поглощению 7-квантов макроскопическими телами — кристаллами. Казалось бы, что в этом сггучае достаточно естественную ширину спектральной линии заменить на доплеровскую.
Для температуры 7" = 300 К в случае изотопа железа гьбГе Гл,„= 0,018 эВ, что на порядок больше кинетической энергии ядра К,д. Условие (76.4) выполняется, хотя и на пределе. Поэтому следует ожидать, что в рассматриваемом случае резонансное поглощение 7-квантов на отдельных ядрах должно наблюдаться и в кристаллах. Однако при переходе к достаточно жестким 7-квантам и при понижении температуры условие 176.4) перестает выполняться, а резонансное поглощение в кристалле, казалось бы, должно сделаться невозможным.
Например, для ядра иридия гэл!г энергия возбуждения 6 = 129 кэВ, так что в этом случае ггвл = в — — 0 046 эВ 1129 10' ) 2 191 938 10 Поэтому даже при Т = 300 К условие Гд „> Кал не выполняется, так как для более тяжелого иридия при одинаковых температурах Гд „ меньше, чем для железа. Но и в тех случаях, когда условие Гльл > > К„д выполняется, следовало бы ожидать очень широкие и пологие максимумы резонансного поглощения. При понижении температуры источника и поглотителя область перекрытия доплеровских линий испускания и поглощения уменьшается.
6 76) ,эффект Мессбауэра 491 Казалось бы, что при этом должна уменьшаться и доля поглощаемых 7-квантов. На самом деле, как показали опыты Мессбауэра в 1958 г., она увеличивается. Этот неожиданный результат, как понял сам Месс- бауэр, указывает на статистический характер испускания и поглощения 7-квантов в кристалле. Большая часть 7-квантов испускается и поглощается так, как описано выше, т.е. отдельными ядрами.
Однако поскольку ядра в кристаллической решетке связаны между собой, наряду с такими индивидуальными процессами происходят и коллекгаивпые процессьц напоминающие возбуждение квазичастиц в теории теплоемкостей твердых тел, допускаемые квантовой механикой. Какой процесс произойдет -- индивидуальный или коллективный, — - зависит от случая. Соотношение между числом тех и других процессов управляется статистическ ми законами. В коллективных процессах возбужденное ядро возвращается в нормальное состояние, энергия возбуждения уносится 7-квантом, но импульс воспринимается кристаллом в целом или, во всяком случае, большой группой атомов. Аналогично, энергия испущенного фотона поглощается отдельным ядром, а его импульс передается кристаллу в целом.
На кинетическую энергию всего кристалла (ванду большой массы последнего), возникающую в этих процессах, приходится ничтожная доля, малая по сравнению с естественной шириной линии (измеренной в энергетических единицах). Явление происходит так, как если бы какая-то часть ядер испускала и поглощала энергию, но не испытывала отдачи импульса. Испускание и поглощение 7-кваитов без отдачи < мпульса и составллет сущность эффекта Мессбауэра.
Поскольку явления испускания и поглощения 7-квантов происходят гак, как если бы масса ядра была бесконечно велика, они не сопровождаются доплеровским уширением спектральных линий. Остается только естественная ширина линии. В таких процессах проявляются, таким образом, очень узкие спектральные линии испускания и поглощения ч-квантов. б.
Это объяснение Мессбауэра убедительно подтверждается опытами по резонансному поглощению 7-квантов. Принципиальная схема опыта для наблюдения этого явления приведена на рис. 138. Источник 3 Рнс. 138 резонансного 7-излучения Ф медленно движется по окружности с помощью часового механизма относительно поглотителя А. За поглотителем расположен счетчик 7-квантов О. Измеряется зависимость скорости счета от скорости движения источника в моменты приближения [Гл.
1Х Рвдиввктивнвстпь 492 и удаления его от поглотителя. Если источник движется достаточно быстро, то линия испускания сдвигается относительно линии поглощения и резонансное поглощение не наблюдается. При уменьшении скорости источника обе эти линии сближаются, а при их совпадении появляется острый максимум поглощения. Это проявляется в резком уменьшении скорости счета счетчика. На рис. 139 изображена экспериментальная кривая, полученная таким путем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
