Лекция (843336), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Изолированный свободный нуклон не может испустить или поглотить γ-квант, таккак при этом были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса. Это означает, что прииспускании γ-излучения ядром γ-квант обменивается импульсом не с одним, а с несколькиминуклонами. Таким образом, испускание γ-излучения является внутриядерным процессом.γ-излучение сопровождает α- и β-распады ядер. Это происходит в тех случаях, когдараспад с переходом материнского ядра в основное состояние дочернего ядра либо маловероятен, либо запрещен правилами отбора. Среднее время жизни ядра в возбужденном состоянииразлично для разных ядер и обычно находится в пределах 10-15 с < τ <10-7с. За это время ядропереходит на более низкий энергетический уровень, испуская при этом γ-излучение.Возможен и другой канал перехода ядра в состояние с меньшей энергией - передача избытка энергии непосредственно одному из атомных электронов.
Такой процесс называетсявнутренней конверсией электронов, а сами электроны - электронами внутренней конверсии(конверсионными электронами).Конверсионный электрон (обычно это электрон К- или L-оболочки), получив энергию отядра, вырывается из атома, поскольку энергия, передаваемая ему ядром, как правило, заметнопревышает энергию связи электронов в атоме.
На освободившееся место переходит один изэлектронов с вышележащих оболочек. Такой процесс сопровождается испусканием рентгеновского излучения.Эффект Мессбауэра.Явление резонансного испускания и поглощения γ-квантов ядрами атомов кристалла называется эффектом Мессбауэра.Пусть покоящееся свободное ядро, переходя из возбужденного состояния в основное,испускает γ-квант с энергией Еγ и импульсом pγ . В результате ядро приобретает импульс отдачи pЯ и кинетическую энергию (энергию отдачи) WЯ.
Если разность энергий основного и возбужденного состояний ядра равна ∆E, TO из законов сохранения энергии и импульса следует: ∆E = Eγ + WЯ , pγ + p Я = 0 .Откуда энергия отдачи WЯ, которая передается ядру при испускании γ-кванта, равнаp2p2WЯ = Я = γ2M Я 2M Я6Семестр 4. Лекция 24.где МЯ - масса ядра. Так как pγ =Eγ, то WЯ =Eγ2.c2M Я c 2При этом большую часть энергии, выделяемой ядром при испускании γ-излучения, уносит γквант. Действительно,Eγ Eγ2M Я c 2= 2 2M Я c 2 =>> 1Wγ EγEγпоскольку энергия покоя ядра МЯс2 значительно превышает энергию γ-кванта Еγ. Поэтому в выражении можно заменить Еγ на ∆E.WЯ =( ∆E )22M Я c 2Именно это выражение и определяет энергию отдачи ядра при испускании γ-кванта.Ядро, поглощая γ-квант, получает импульс отдачи и энергию отдачи WЯ.
Чтобы сообщить ядру энергию ∆Е, необходимую для перевода его из основного состояния в возбужденное,энергия налетающего γ-кванта Е'γ должна превысить энергию перехода ∆Е на WЯ, т. е.Е'γ = ∆E + WЯ.Таким образом, линии испускания и поглощения γ- квантов ядрами должны быть сдвинуты относительно друг друга по шкале энергии на величинуδE = E′γ− Eγ = 2WЯ.Поскольку γ-излучение, испускаемое ядрами, имеет энергетическую линию конечной шириныГ, то, для того чтобы можно было наблюдать в эксперименте резонансное поглощение γквантов, т.
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.8Семестр 4. Лекция 25.Лекция 25. Элементарные частицы.Основные характеристики. Типы взаимодействий.
Классификация частиц. Лептоны и адроны.Кварковая структура адронов. Симметрия и законы сохранения в мире элементарных частиц.Элементарная частица - собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. В современной физикетермин «элементарные частицы» используют в более широком смысле: так называют мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называютсубъядерными частицами. Некоторые элементарные частицы (электрон, фотон, кварки и т.
д) наданный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы - протон, нейтрон и т.д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно. Строение и поведение элементарных частицизучается физикой элементарных частиц.Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами.
Вэтом отношении они полностью аналогичны фотонам. Элементарные частицы — это специфические кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения ииспускания.Распад нестабильных элементарных частиц на более лёгкие частицы, сопровождаемыйвыделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении распад элементарных частиц подобен переходу возбуждённого атома в основное состояние с испусканием фотона.На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного, слабого.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
