Borovik-ES-Eremenko-VV-Milner-AS-Lektsii-po-magnetizmu (1239152), страница 64
Текст из файла (страница 64)
При поглощении гамма- кванта ядром такого же сорта линия поглощения должна быть смещена (по тем же причинам) на величину энергии отдачи Ен в старо- Р !9 Рис. !9.!. Резонансная флюоресну больших энергий. При не очень цепция в видимой области спек- высоких темпеРатУРах, когДа ши- тра (а) и в области -излучения рина линии определяется време- (б — низкая температура излучатенем жизни возбужденного состоя- ля и поглотителя; в — высокая темния ядра, ширины линий излучения пература излучателя и поглотителя) (Г Цт) намного меньше расстояния между их максимумами и резонансного поглощения излучаемых гамма-квантов быть не может. Однако если температуру газа атомов, излучающих и поглощающих гамма-кванты, заметно повысить так, чтобы появилось значительное доплеровское уширение (сзш Ен), то края линий излучения и поглощения перекрываются и появляется возможность для частичного поглощения гамма-квантов ядрами атомов того же сорта, что и атомы, ядра которых излучают гамма-кванты (рис.
19. 1, в) . Конечно, энергетический интервал между линиями флюоресценции и поглощения гамма-квантов ядрами свободных атомов можно скомпенсировать, и не прибегая к повышению температуры. Резонансного поглощения гамма-квантов можно добиться, придавая значительную скорость движения поглотителю относительно излучателя. Посколь- 310 йь )9. Ядерный гамма-резонанс (эффекта Мессбацэра) ку доплеровский сдвиг пропорционален как скорости относительного движения, так и энергии излучения, для гамма-квантов его величина может оказаться достаточной для компенсации энергии отдачи, хотя и при значительных, но достижимых скоростях относительного движения поглотителя и излучателя. Такой метод был впервые предложен Муном, который осуществил резонансное поглощение гамма-квантов ядрами свободных атомов, поместив радиоактивный источник (колбу, наполненную радиоактивным газом) на быстро вращающееся колесо.
Для совмещения линий излучения и поглощения источнику необходимо придать скорость, равную удвоенной скорости отдачи о = =- Ео,г(тс). В случае радиоактивного золота (Ац'ч"), использованного Муном, требуемая скорость компенсации энергии отдачи равна 800 м(с, т.е. близка к максимальной скорости, которую вообще можно получить на центрифуге.
Для 8пыэ,широко используемого в последнее время, эта скорость равна бО мус. 9 19.2. Флюоресценция ядер в кристалле— эффект Мессбауэра Проведенное рассмотрение показывает, что резонансная флюоресценция ядер свободных атомов приобретает заметную вероятность при повышении температуры. Однако Р. Мессбауэр, изучая поглощение гамма-лучей радиоактивного твердого иридия (1г1з|) в иридиевой же нерадиоактивной фольге, обнаружил, что поглощение гамма-квантов при понижении температуры мишени не уменьшалось, а наоборот значительно возрастало. Такое поведение противоречит результатам приведенного выше рассмотрения и обусловлено тем, что по~лощающее и излучающее ядра находятся в кристаллической решетке. В этом случае вышеописанное излучение реализуется свободным ядром, лишь если отдача ядра велика по сравнению с энергией связи атомов в твердом теле.
Однако энергия отдачи ядра при излучении гамма-кванта оказывается меньше энергии связи в решетке (!Π—: 30 эВ). Если при этом она еще оказывается не намного больше максимальной энергии колебаний кристаллической решетки (фононов), то возникает новый эффект — эффект Мессбауэра. Действительно, если ядро находится в кристаллической решетке, то импульс отдачи, приобретаемый ядром при излучении гамма-кванта, приводит к возбуждению фононов в кристалле.
При этом импульс фонона (или суммарный импульс фононов) не должен в общем случае совпадать с импульсом отдачи свободного ядра, так как часть импульса может быть передана кристаллу как целому. Прн такой передаче импульса всему кристаллу в силу его большой массы энергетический сдвиг излучаемого гамма-кванта должен практически равняться нулю, и в спектральном распределении интенсивности гамма-излучения (поглогцения) кристаллом должна быть несмещенная линия [35, 214).
!9.2 Флворесценция ядер е кристалле — эффект Мессбауэра 31! До- к !Ро Лоэ л Энср~ вя ') Более строгое объяснение температурной зависимости вероятности бесфононных процессов и интенсивности линии Мессбауэра состоит в следующем Фононы являются бозе-частицами, т е. возбуждение их носит иидуцированный характер; поэтому вероятность его тем больше, чем больше фовонов присутствует в системе. С повышением температуры число фононов растет в соответствии с бозе †эйнштейновск выражением для равновесного распределения; п(ш) = ехр ( ) Следовательно, вероятность возбуждения фононов с ростом температуры растет, а вероятность бесфононной мессбауэровской линии падает Несмещенная линия гамма-излучения (погл талле должна существовать всегда. Вопрос лишь тенсивность, т.е.
какова относительная вероятнос цессов. Очевидно, что вероятность возбуждения М!> при Т = О К зависит от отношения Еп/йалф и о ростом. Если это отношение для фононных част мого кристалла и выбранных для опыта радиоактив ного больше 1, то при Т = О К эффект Мессбауэра ным. Помимо широкой полосы, сопровождающейся онов при гамма-излучении, должна появляться узка ины Г = Цт) линия, как это показано на рис. 19.2 ктер температурной зависимости относительной интенсивности бесфононной линии, обратимся к классическому описанию эффекта.
Тепловые колебания кристаллической решетки, в которую входит излучающий атом, рассматриваются как источник частотной модуляции гамма-излучения посредством эффекта Доплера. При этом интенсивность излучения на несмещенной частоте должна падать с ростом температуры '). Именно этим обстоятельством и объясняется обнаруженное Мессбауэром тепловое ослабление резонансного поглощения гамма-квантов твердой мишенью, содержащей ядра иридия: при позы- Рис.!9.2. СпектРальное Распредешении температуры интенсивность ление интенсивности излучения и поглощения гамма-квантов ядрами Резонансной линии поглощенна из- твердом теле (35 214) лучения уменьшается за счет увеличения фононного крыла.
Гл. )9. Ядерный гамма-реэонанс (эффекта Мессбаиэра) 9 19.3. Разрешающая способность, значение эффекта Мессбауэра. Схема опыта Открытие Мессбауэра позволило выявить большое преимущество ядерной гамма-флюоресценции — ее строгую селективность. Резонансная мессбауэровская линия гамма-флюоресценции твердых тел имеет естественную ширину, которая при времени жизни в возбужденном состоянии ядра около 10 т с составляет 10 з эВ. Поскольку эта ширина меньше характерных значений энергии магнитного и электрического квадрупольного взаимодействий ядра с окружающими его электронами, становится очевидным, что перечисленные взаимодействия могут быть изучены с помощью эффекта Мессбауэра.
Совершенно уникальной особенностью мессбауэровской линии является чрезвычайно малое отношение ее полуширины Г к энергии максимума Ео. Для энергии Ео — !Оз эВ отношение Г)Ео — 1О т.е. энергия гамма-лучей, высвечиваемых ядрами, входящими в состав твердого тела, может быль измерена с точностью до 10 и ьы Таким образом, гамма-лучи резонансной ядерной флюоресценции представляют собой наиболее точно определенное по энергии электромагнитное излучение. Это обстоятельство широко используется в последнее время для ряда физических опытов, в том числе для экспериментальной проверки следствий теории относительности. Из довольно обширного перечня ядер, у которых обнаружен эффект Мессбауэра, чаше всего для исследований твердых тел используются ядра Гезт и $пыэ. Поскольку энергии их самых нижних возбужденных состояний не так уж велики, энергия отдачи не намного превышает фононные частоты шф и интенсивности мессбауэровских линий этих ядер значительны при внедрении их во многие кристаллы.
В то же время естественные полуширины линий малы, так как время жизни т для рассматриваемых возбужденных состояний значительно, что обеспечивает высокое разрешение спектральных исследований. На рис. 19.3, а приведены схемы распада ядер Вниз и Гезт. Изотоп железа Гезт образуется при распаде материнского ядра Созт путем электронного К-захвата. На этом рисунке указаны периоды полураспада, энергии переходов и процентное содержание ядер 5п'~~ и Гезт в естественных олове и железе.
Резонансная флюоресценция наблюдается для переходов с самых нижних возбужденных состояний. Наконец, остановимся на самой идее постановки опыта, схеме эксперимента, предложенной Мессбауэром. Сущность эксперимента состоит в сравнении спектра гамма-флюоресценции источника со спектром поглотителя. Для такого сравнения гамма-лучи флюоресценции источника пропускаются через поглотитель, после чего измеряется их интенсивность. Если максимум интенсивности гамма-флюоресценции источника совпадает с максимумом поглощения в спектре поглотителя, то регистрируется минимум интенсивности прошедших гамма- 19 3. Разрешоюо)ал способность, значение эффекта Мессбиуэра 313 м Со ' 270 дп.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
