Эффект Мёссбауэра
Эффе́кт Мёссба́уэра или я́дерный га́мма-резона́нс — испускание или поглощение гамма-квантов атомными ядрами в твёрдом теле, не сопровождающееся изменением колебательной энергии тела, то есть испусканием или поглощением фононов.
Другими словами, эффект Мёссбауэра — это резонансное испускание и поглощение гамма-квантов ядрами без отдачи излучающего и/или поглощающего ядра, если ядра находятся в кристаллической решётке. При этом весь импульс отдачи передаётся всему кристаллу, масса которого на много порядков больше массы одного ядра, и поэтому сдвиг частоты гамма-кванта в актах излучения и поглощения ничтожен.
Эффект имеет существенно квантовомеханическую природу и наблюдается в кристаллических, аморфных и порошкообразных веществах.
На 2019 год эффект Мёссбауэра наблюдался у 87
За открытие эффекта Рудольф Мёссбауэр в 1961 году был удостоен Нобелевской премии по физике.
История открытия
Резонансное поглощение фотонов в оптическом диапазоне, например, резонансное поглощение натриевого дублета наблюдалось и ранее. Можно было предположить, что такое же резонансное поглощение будет обнаружено для гамма-лучей, которые возникают при переходах между дискретными уровнями энергии в ядрах, в отличие от рентгеновских лучей, которые обычно производятся электронными переходами во внутренних электронных оболочках атомов.
Но попытки наблюдать ядерный резонанс при поглощении гамма-излучения в газах потерпели неудачу из-за потери энергии на отдачу излучающего ядра, что вследствие эффекта Доплера смещает частоту гамма-квантов за частоту очень узкой спектральной линии поглощения ядер и предотвращает резонансное поглощение (эффект Доплера также расширяет узкую линию гамма-излучения ввиду теплового движения ядер).
Эффект был открыт в 1957 году[
Мёссбауэру удалось обнаружить резонансное поглощение гамма-излучения ядрами иридия в твёрдом теле, что поставило вопрос, почему гамма-резонансное поглощение возможно в твёрдых телах, но не в газах.
Мёссбауэр предположил, что в случае атомов, находящихся в кристаллической решётке твёрдого тела, при определённых условиях некоторая часть актов излучения-поглощения гамма-квантов может происходить практически без отдачи ядер. Он объяснил наблюдаемое резонансное поглощение передачей импульса гамма-кванта всему кристаллу.
За это открытие Мёссбауэр был в 1961 году удостоен Нобелевской премии по физике совместно с Робертом Хофштадтером, изучавшим рассеяние электронов на атомных ядрах.
Природа эффекта
При испускании или поглощении гамма-кванта, согласно
Интерпретация эффекта
В 2000 году в журнале Hyperfine Interactions[1] Мёссбауэр привёл образную интерпретацию эффекта:
Ситуация … напоминает человека, прицельно бросающего камень из лодки. Бо́льшую часть энергии согласно
количество движения, соответствующее отдаче, и отплывёт в направлении, противоположном направлению броска. Однако зимой, когда озеро замёрзнет, лодку будет удерживать лёд, и практически вся энергия броска будет передана камню, лодке (вместе с замёрзшим озером и его берегами) достанется ничтожная доля энергии броска. Таким образом, отдача будет передаваться не одной только лодке, а целому озеру, и бросок будет производиться «без отдачи».
Если человек натренирован так, что всегда затрачивает на бросок одинаковую энергию, и в цель, расположенную на удалении, он сможет попасть, стоя на том же расстоянии от неё на твёрдом грунте, то при броске камня с лодки отдача будет приводить к «недобросу». Тепловое уширение в этом представлении соответствует волнению на озере, которое увеличивает разброс прицельно бросаемых камней, а неизбежные собственные невынужденные ошибки спортсмена характеризуются естественным разбросом или
Мёссбауэровские изотопы
| H | He | ||||||||||||||||||||||
| Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||||||||
| Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||
| 40K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | 57Fe
|
Co | 63Ni
|
Cu | 67Zn | Ga | 73Ge | As | Se | Br | 80Kr | ||||||
| Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | 99Tc | 99Ru 101Ru | Rh | Pd
|
107Ag 109Ag | Cd | In | 117Sn 119Sn | 121Sb | 125Te | 127I 129I | 131Xe
| ||||||
| 133Cs | 133Ba
|
* | 181Ta | 187Re | 186Os 188Os 189Os 190Os | 191Ir 193Ir
|
195Pt 196Pt | 197Au | 199Hg 201Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | ||||||||
| Fr | Ra | ** | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | ||||||
| * | 139La | Ce | 141Pr | 145Nd | 145Pm 147Pm | 147Sm 149Sm 151Sm 152Sm 153Sm 154Sm | 151Eu 153Eu | 159Tb | 160Dy 161Dy 162Dy 164Dy | 165Ho | 164Er 166Er 167Er 168Er 170Er | 169Tm | 170Yb 171Yb 172Yb 173Yb 174Yb 176Yb | 175Lu | |||||||||
| ** | Ac | 232Th | 231Pa
|
236U 238U
|
237Np | 239Pu 240Pu | 243Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | ||||||||
Открытие эффекта и его значение
Предыстория
Около 1852 года Дж. Г. Стокс впервые наблюдал флуоресценцию — поглощение флюоритом падающего света с последующим испусканием света поглотителем. Впоследствии аналогичные исследования проводились с различными материалами.
В 1900 году П. Виллар обнаружил гамма-лучи — испускаемое радием монохроматическое электромагнитное излучение с высокой энергией фотонов.
В 1904 году
Ожидание
В 1929 году В. Кун предположил возможность и осуществил попытку наблюдения резонансного поглощения гамма-лучей как аналога оптической флуоресценции в ядерной физике. Попытки обнаружения резонансного поглощения гамма-квантов в опытах с неподвижными источником и поглотителем излучения не увенчались успехом. Однако работа Куна ценна тем, что в ней этот швейцарский физикохимик постарался проанализировать причины своей неудачи, выделив три основных источника ослабления поглощения:
- тепловое уширение изначально узкой линии ядерного перехода;
- дополнительное уширение в связи с возможной отдачей при испускании β-частиц;
- существенное смещение линии из-за большой энергии отдачи при излучении гамма-фотонов с комментарием[1]:
… Третий вклад, уменьшающий поглощение, возникает в связи с процессом испускания гамма-луча. Излучающий атом будет испытывать отдачу, обусловленную испусканием гамма-луча. Длина волны излучения, таким образом, испытывает красное смещение; линия испускания смещается относительно линии поглощения… Возможно, поэтому, что из-за значительного гамма-смещения вся линия испускания покидает область линии поглощения…
Кун здесь, правда, рассматривал только смещение и уширение линии испускания, не обращая внимания на эффект Доплера и отдачу ядра при поглощении гамма-фотона.
Обнаружение
В 1950—1951 годах британский физик Ф. Б. Мун опубликовал статью, в которой впервые описывал экспериментальное наблюдение эффекта. Идея эксперимента заключалась в том, чтобы разместить источник гамма-излучения 198Au на ультрацентрифуге, тем самым обеспечивая компенсацию энергии отдачи доплеровским смещением спектральной линии. Считая наблюдаемый эффект резонансным ядерным рассеянием гамма-квантов, он описал резонансную ядерную флуоресценцию.
Примерно в это же время шведский учёный К. Мальмфурс исследовал поглощение гамма-квантов в той же комбинации 198Au и 198Hg, пытаясь добиться увеличения поглощения за счёт теплового уширения линий нагреванием золота в пламени паяльной лампы. Действительно, количество отсчётов немного возросло, и Мальмфурс сообщил в своей статье[где?], что
…Условие резонансного эффекта выполняется в тех случаях, когда направленная в сторону поглотителя компонента тепловой скорости [источника], направленная в сторону рассеивающего вещества (ртути), компенсирует отдачу ядра…
Обоснование
В 1953 году профессор
Признание
В 1961 году за открытие и теоретическое обоснование явления ядерного гамма-резонанса Р. Л. Мёссбауэру была присуждена Нобелевская премия по физике (совместно с Р. Хофштадтером, получившим премию за свои исследования рассеяния электронов на ядрах) с формулировкой: For his researches concerning the resonance absorption of gamma radiation and his discovery in this connection of the effect which bears his name («За его исследования, относящиеся к резонансному поглощению гамма-излучения, и его открытие в этой связи эффекта, который носит его имя»)[5].
Применения эффекта Мёссбауэра
Свойством, обусловившим применение эффекта Мёссбауэра в качестве метода исследований, является малая ширина линии излучения, меньшая характерных значений энергий магнитного дипольного и электрического квадрупольного взаимодействий ядра с электронами оболочки[6][7]. Так, например, влияние магнитного поля от электронов электронной оболочки на ядро, вызывает расщепление гамма-спектра резонансного поглощения ядрами железа-57 на 6 спектральных линий, положения этих линий и их профиль зависят от химического окружения ядра железа-57 из-за влияния электронных оболочек соседних атомов, что позволяет устанавливать детали строения молекул и кристаллических решёток.
Метод ядерного гамма-резонанса (
Эксперименты на основе эффекта Мёссбауэра
Одним из впечатляющих применений эффекта Мёссбауэра стал знаменитый эксперимент Паунда и Ребки, которые в 1960 году измерили в лабораторных условиях гравитационное красное смещение гамма-квантов, предсказываемое общей теорией относительности.
Примечания
- 5 июня 2018 года.
- doi:10.1007/BF01344210.]
- ↑ Mössbauer R. L. Kernresonanzabsorption von γ-strahlung in Ir191 (нем.) // Zeitschrift für Naturforschung A. — 1959. — Bd. 14a. — S. 211—216. Архивировано 17 августа 2020 года..
- ↑ Каган, 1962, с. 48—84.
- ↑ The Nobel Prize in Physics 1961. Дата обращения: 27 февраля 2006. Архивировано 25 апреля 2006 года.
- ↑ Вертхейм, 1966, с. 19.
- ↑ Широков, 1972, с. 257.
Литература
- Иркаев С.М., Кузьмин Р.Н., Опаленко А.А. Ядерный гамма резонанс. — М.: МГУ, 1970. — 206 с.
- ред. Каган Ю. Эффект Мёссбауэра. — М.: ИЛ, 1962. — 444 с.
- Вертхейм Г. Эффект Мёссбауэра. Принципы и применения. — М.: Мир, 1966. — 172 с.
- Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
Ссылки
- Таблица всех известных мёссбауэровских изотопов (недоступная ссылка)
 | |
|---|---|
| В библиографических каталогах |
