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 изотопов 46 элементов — так называемых .

За открытие эффекта Рудольф Мёссбауэр в 1961 году был удостоен Нобелевской премии по физике.

История открытия

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 ^{[ источник не указан 525 дней ]} , по другим источникам в 1958 году Рудольфом Мёссбауэром в Институте медицинских исследований Общества Макса Планка в Гейдельберге (ФРГ).

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 закону сохранения импульса , свободное ядро массы M получает импульс отдачи p = E ₀ / c и соответствующую этому импульсу энергию отдачи R = p ² /(2 M ) . На эту же величину оказывается меньше по сравнению с разностью энергий между ядерными уровнями E ₀ энергия испущенного гамма-кванта, а резонансное поглощение наблюдается для фотонов с энергией, равной E ₀ + R . В итоге, для одинаковых ядер линии испускания и поглощения разнесены на величину 2 R и условие резонанса может быть выполнено только в случае совмещения этих линий, либо их частичного перекрытия. В газах энергию отдачи получает одно излучающее ядро массы M , тогда как в твёрдых телах помимо процессов, когда за счёт энергии отдачи возбуждаются фононы , при определённых условиях смещение только одного атома или небольшой группы атомов становится маловероятным, и импульс отдачи может испытать весь кристалл целиком. Масса кристалла, содержащего огромное число атомов, на много порядков больше массы ядра, а значит и величина R становится пренебрежимо малой. В процессах испускания и поглощения гамма-квантов без отдачи энергии фотонов равны с точностью до естественной ширины спектральной линии .

Интерпретация эффекта

В 2000 году в журнале Hyperfine Interactions Мёссбауэр привёл образную интерпретацию эффекта:

Ситуация … напоминает человека, прицельно бросающего камень из лодки. Бо́льшую часть энергии согласно закону сохранения импульса получает лёгкий камень, но небольшая часть энергии броска переходит в кинетическую энергию получающей отдачу лодки. Летом лодка просто приобретёт некоторое 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 кучностью бросков, аналогичными естественной ширине спектральной линии излучения/поглощения и времени жизни соответствующего ей возбуждённого состояния ядра.

Мёссбауэровские изотопы

Мёссбауэровские изотопы в периодической системе элементов
(выделены цветом фона)

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

40 K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

57 Fe

Co

63 Ni

Cu

Ga

As

Se

Br

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

99 Tc

Rh

Pd

Cd

In

131 Xe

133 Cs

133 Ba

*

176 Hf

182 W

191 Ir

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

*

Ce

157 Gd

**

Ac

232 Th

231 Pa

234 U 236 U 238 U

237 Np

239 Pu 240 Pu

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 Р. Вуд продемонстрировал резонансную оптическую флуоресценцию, которая характеризуется испусканием поглощённой световой энергии в виде излучения той же частоты . Особенно широко известна именно исследованная им резонансная флуоресценция жёлтого дублета натрия .

Ожидание

В 1929 году 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 :

… 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 опубликовал статью, в которой впервые описывал экспериментальное наблюдение эффекта. Идея эксперимента заключалась в том, чтобы разместить источник гамма-излучения ¹⁹⁸ Au 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 исследовал поглощение гамма-квантов в той же комбинации ¹⁹⁸ Au и ¹⁹⁸ Hg, 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 Мюнхенского технического университета назначил своему студенту-дипломнику Рудольфу Мёссбауэру тему магистерской диссертационной работы: продолжение исследований температурно-зависимого поглощения гамма-излучения, начатых Мальмфурсом с использованием ¹⁹¹ Os и, в качестве дополнительной задачи, определение в то время не известной величины энергии бета-распада осмия-191. После защиты Мёссбауэром магистерской диссертации Майер-Лейбниц предложил ему продолжить работу по этой теме, готовя диссертацию доктора философии ( PhD ) в Гейдельбергском Институте медицинских исследований Общества Макса Планка . Несмотря на настойчивые указания научного руководителя следовать методу Мальмфурса и искать перекрытия линий испускания и поглощения в области высоких температур, Мёссбауэр проявил самостоятельность, рассчитав, что удобнее, напротив, сконструировать криостат для охлаждения образцов до температуры жидкого азота . При этом он ожидал наблюдать такую температурную зависимость поглощения, при которой перекрытие линий становится слабее, а скорость счёта гамма-квантов прошедшего через поглотитель излучения должна возрастать. Получив обратный результат, то есть усиление резонансной ядерной гамма-флуоресценции, он преодолел чрезмерный скепсис и тщательно обдумал результат. В результате Мёссбауэр понял, что использовавшаяся полуклассическая концепция излучающих и поглощающих ядер как свободных частиц для твёрдых тел не подходит: в кристаллах атомы сильно связаны друг с другом и характеризуются существенно квантовым поведением .

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») .

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 . 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 ( резонансный структурный анализ ) используется в физическом материаловедении , химии , минералогии и биологии (например, при анализе свойств Fe-содержащих групп в белках ). Эффект поглощения излучения усиливают путём обогащения образца мёссбауэровскими изотопами , повышая, например, содержание ⁵⁷ Fe в пище подопытных животных. В минералогии эффект Мёссбауэра применяется главным образом для определения структурного положения ионов Fe и определения степени окисления железа.

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

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

• (недоступная ссылка)