yavor2 (553175), страница 90
Текст из файла (страница 90)
Подставив числовые данные, найдем, что еу„ж 0,05 эВ. Это намного превышает естественную ширину уровня. Таким образом, отдача ядра при излучении понизит энергию у-фотона на величину 4'„, а его частоту — на Лч= 8„/й. Итак, йч„„= 8 — е7„. Аналогичным образом, чтобы ядро с энергией возбуждения 0 могло поглотить фотон, энергия фотона должна быть больше с", на энергию отдачи поглошающего ядра. Энергии поглощаемого фотона должно хватить не только для возбуждения ядра, но н для обеспечения самого ядра энергией 8'„при отдаче: Ь „...
=- б. + сс„ (рис. 81.7). В итоге получается, что частоты у-фотонов, которые ядро может излучать и поглощать, не равны друг другу, а сдвинуты на величину 2Лч == 2//„//м Поглощение у-лучей отнюдь не носит резонансного Звз характера. Это сильно снижает достоинства всего метода: зарегистрировав факт поглощения у-лучей определенной частоты, нельзя без дополнительного анализа сделать однозначного вывода об энергетических уровнях ядра. 4. В 1958 г. Мессбауэр разработал метод, позволивший практически обратить в нуль энергию отдачи ядра и создать условия для резонансного поглощения у-лучей ядрами.
Явление отсутствия отдачи ядер при испускании ими у-лучей получило название эффекта й4ессбауэра. Идею Мессбауэра можно повять из формулы (81.15): энергия отдачи ядра будет тем меньше, чем больше его масса. Но увеличить массу покоя ядра невозможно.
Мессбауэр создал такие условия, при которых энергию отдачи ядра, излучающего у-фотон, воспринимает не одно данное ядро, а большая их совокупность, ч и оеи У=— л Рос. 31.7. прочно связанная в единое целое. Это условие будет выполнено, если излучающие ядра будут не свободнь|ми, а связанными и будут находиться в кристалле. Поскольку масса всего кристалла во много раз больше массы одного ядра, то соответственно уменьшается и потеря энергии на отдачу.
Энергию отдачи при этом с большой точностью можно считать равной пулю, и поглощение у-лучей оказывается резонансным. Линии испускания и поглощения у-лучей имеют ширину порядка естественной, и оказывается возможным точно измерять малые разности энергий или частот, имеющие порядок естественной ширины уровня или спектральная линии. Так, например, измерения для у-перехода в ядрах Ве"' с энергией перехода б' = 14,4 кэВ позволили определить изменение энергии с точностью до величины ГЩ, равной 3 10-", а для у-перехода в Еп" с энергией перехода ег = 93 кэВ величина Г!б' оказалась равной 5.10 'е 5. Возможность измерять очень малые изменения энергии и высокая точность этих измерений позволили с успехом применять эффект Мессбауэра для наблюдения очень тонких и важных эффектов в современной физике.
Так, в 1960 г. этим методом в лабораторных условиях было измерено смещение частоты спектральных ли- 394 ний в гравитационном поле (так называемое «красное смещени»). В з 24.6, где шла речь о теории тяготения Эйнштейна, мы уже знакомились с этим явлением. Рассмотрим его более подрсбно.
Если фотон движется в гравитационном поле, то при переходе его из точки с гравитационным потенциалом «р, в точку с потенциалом Ч~» его энергия изменяется на величину Л4' = — — т(у,— у,) = = — гпЛф, в однородном поле тяготения — на величину ЛЛ. = = — АЛЬ (см. з 18.4). Подобно тому, как при движении тел в поле тяготения увеличение потенциальной энергии приводит к такому же уменьшению их кинетической энергии, так и увеличение гравитационной энергии фотона происходит за счет уменьшения его «собственной» энергии б' = йч.
Это и объясняет наличие знака минус в соотношении Л8 = — тЛ<р или ЙЛч = — тЛ~р. (81.16) Масса фотона связана с его энергией и частотой соотношением и =8/с» = )»м/о». Относительное изменение частоты при прохождении фотоном гравитационной разности потенциалов Лр равно (81.!7) Это соотношение проявляется следующим образом. Пусть на Земле зарегистрирована какая-нибудь частота излучения Солнца. Потенциал поля тяготения Солнца на поверхности Земли больше, чем на поверхности Солнца (Л«р) 0), и согласно (81.17) Лт7» будст отрицательным. Следовательно, все спектральные частоты Солнца и звезд, регистрируемые па Земле, оказываются уменьшенными, сдвинутыми к красному концу спектра.
Поэтому этот эффект называется гравитационным красным смещением. Для излучения Сол~- ца гравитационное красное смещение составляет ж!О '. дФ «с» Чтобы оценить, много это или мало, перейдем от частоты к длине волны. Как показано в З 6!.4, относительное изменение длины волны равно относительному изменению частоты, Лэ7» =- — ЛХ0.. Знак минус отражает увеличение ) при уменьшении частоты. Для средней длины волны солнечного спектра ) = 5000 А, и ее гравитационное «покраспение» составит ЛХ = 10 ') = 5 !О-'А, т.
е. скажется на третьей цифре после запятой. Если на Солнце данная спектральная линия имеет длину волны 5000 А, то на Земле эта же линия будет иметь длину волны 5000,005 А. Даже для современной оптической спектроскопии этот эффект является довольно тонким, хотя гравитационное поле тяготения Солнца является очень сильным по сравнению с полем тяготения Земли. 6.
Эффект Мессбауэра позволил измерить гравитационное красное смещение при прохождении фотоном в слабом поле тяготения Земли малых расстояний. Идея опыта проста. Если у-фотон частоты» 395 на полу лаборатории пустить вверх, то на потолке лаборатории его частота, вследствие гравитационного красного смещения, будет меньше, чем на полу.
Если удастся точно измерить сдвиг частоты, то, сравнив его стеоретическим, можно проверить предсказание общей теории относительности о красном смещении. Оценим, каким требованиям должна удовлетворять аппаратура для осуществления этого опыта. При подъеме по вертикали в поле тяготения Земли на высоту 10 м гравитационное красное смещение будет равно 1 —.~= —.= — — —. ~~(о ~~ а ь ~ дг яда ~о.~о 1 с2 ° ! О.
1016 Этот сдвиг частоты будет зарегистрирован, если осуществить резонансное поглощение у-фотонов так, чтобы относительная ширина линии поглощения была меньше этого значения Лт!ч. Нужно, чтобы поглощение надежно отсутствовало, если частота у-фотона, падающего на ядро, отличается от частоты фотона, который ядро может поглотить, па величину, равную Ьт = 10 "т. Другими словами, нужно иметь источники и приемники у-лучей, относительная ширина линий которых была бы меньше или равна весьма малой величине 10 ".
Эффект Мессбауэра позволил решить эту задачу. Брались два одинаковых кристаллических источника у-лучей, расположенные на расстоянии 20 м один выше другого. Если приемник находился на одной высоте с источником у-фотонов, то имело место резонансное поглощение. Когда же приемник поднимался на высоту 20 м, поглощение прекращалось, так как частота фотона, падающего на ядро, оказывалась меньшей вследствие гравитационного красного смещения.
Чтобы восстановить поглощение, пришлось воспользоваться эффектом Допплера (5 59.8). При сближении приемника с источником частота, воспринимаемая приемником, увеличивается. При определенной скорости сближения допплеровское увеличение частоты скомпенсирует гравитационное уменьшение ее, и резонансное поглощение восстановится.
Расчеты показали, что необходимую скорость сближения легко осуществить. Такой опыт был впервые осуществлен в 1960 г. (см. 5 24.6) и явился очень точным подтверждением в земных условиях одного из предсказаний общей теории относительности. Эффект Мессбауэра в настоящее время широко применяется в так называемой ядерной спектроскопии для точных исследований энергетических уровней атомных ядер и для изучения многих тонких эффектов в современной физике твердых тел; в их обсуждение мы входить не можем.
й 81.12. Понятие о закономерностях (1-распада 1. На первый взгляд протонно-нейтронное строение ядра исключает возможность вылета из ядра электронов, ибо их в ядре нет. Поэтому теоретическое истолкование 1) -радиоактивных превращений ядер явилось трудной задачей ядерной физики. Сам термин 396 «распад» здесь должен употребляться в условном смысле. Знак минус в обозначении 8 для процесса естественной бета-радиоактивности связан с тем, что возможен еще процесс )), искусственной бета- радиоактивности (~ 82.2). Бега-активность ядра является следствием взаимного превращения протонов и нейтронов, входящих в состав ядра.
Испускание )»-частиц аналогично испусканию фотона атомом. Подобно тому как в возбужденном атоме нет «готовых» фотонов, они возникают лишь в процессе перехода атома из одного состояния в другое, так и в ядре не содержится ни электронов, ни позитронов. Они рождаются в процессе перехода данного нуклона из одного квантового состояния в другое, например из нейтронного в протонное с испусканием электрона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
