Резонансное поглощение у-квантов. Эффект Мессбауэра

Предположим, имеются два образца (условно будем считать первый источником-излучателем, а второй - приемником-поглотителем излучения) с одинаковыми атомами (и ядрами) в их составе. Это значит, что положение уровней энергии основного Е осн и возбужденного Е юз6 состояний в них одинаково. Предположим также, что имеется способ инициировать возбужденное состояние ядер в первом образце, т.е. сделать его источником испускаемых квантов (электромагнитных волн) из-за соответствующих энергетических переходов. Спектральная линия источника с энергией излучения Е тзб - Е жн = АЕ на частотной

шкале будет находиться при частоте . Можно оценить

естественную ширину Г этой спектральной линии (т.е. минимальную ширину, которая определяется соотношением неопределенностей (см. подраздел 8.2) и не зависит от экспериментальной аппаратуры). Используем для этой оценки соотношение (8.6) и получим

где за Г принята величина, соответствующая ширине идеальной спектральной линии на половине ее высоты, at - характерное время жизни ядра в возбужденном состоянии.

Отношение естественной ширины спектральной линии к значению энергии перехода (для резонансного перехода Со 57 -» Fe 57 , например) составляет:

Отсюда видно, что в относительном представлении такая спектральная линия очень узка.

Если теперь направить это излучение на второй, аналогичный первому, образец, то в силу выполнения резонансных условий в нем должно было бы произойти обратное явление, т.е. резонансное поглощение. Действительно, энергия испущенных у-квантов в точности соответствует разнице в энергиях? |ин6 - Е осн. Однако есть, по крайней мере, два фактора, расстраивающих такой резонанс. Первым фактором является отдача, которую испытывает ядро при испускании у-кванта. Определим величину энергии R отдачи.

В модели покоящихся свободных ядер закон сохранения импульса требует, чтобы импульс ядра, находящегося в возбужденном состоянии, до энергетического перехода равный нулю, был бы равен суммарному импульсу ядра и кванта излучения после испускания, т.е. р., = р я (импульс кванта равен p. t =E. f /c, где Е у - энергия кванта; с - скорость света). Поэтому

Величина R, как правило, на несколько порядков больше Г для всех пригодных для наблюдения резонансного эффекта ядер (в случае рассмотренного ранее примера R/Г ~ 10 5). Для сравнения отметим, что в случае оптических электронных переходов с энергиями ~1-10 эВ, при сравнимой по порядку с ядерным случаем величине естественной ширины Г ~ 10 -8 эВ, энергия отдачи атомной системы составляет R ~ 10 -9 -10 -11 эВ, т.е. пренебрежимо малую (по сравнению с естественной шириной) величину R/T 10 -1 , что позволяет исключить из рассмотрения описываемые ниже эффекты.

Из-за наличия отдачи в случае ядерных энергетических переходов спектральная линия испускания свободного ядра сместится по шкале энергий на величину энергии R отдачи в сторону ее уменьшения. Само по себе это смещение мало, особенно по сравнению с энергией кванта (10 4 эВ), однако, оно велико по сравнению с естественной шириной спектральной линии (10 -8 эВ). Аналогично сместится также спектральная линия поглощения (потому что и здесь надо учитывать энергию отдачи поглощающего ядра), но в сторону больших энергий (отдача «наоборот», т.е. с отрицательным знаком). Линии, естественная ширина которых ~Ю -8 эВ, разойдутся на величину 2R = 10 _3 эВ (рис. 9.10). Таким образом, оказывается, что в рассматриваемых условиях практически нет перекрытия спектральных линий (условие резонанса не соблюдается), а следовательно, нет и резонансного поглощения.

Рис. 9.10.

Вторым, мешающим наблюдению резонанса фактором является тепловое движение атомов. Различные ядра могут испускать у-кванты, находясь в беспорядочном тепловом движении. При этом в результате хаотического проявления допплер-эффекта (см. подразделы 1.5.2.2 и 2.8.4) произойдет уширение линий испускания и поглощения (до ширины, обозначенной на рис. 9.10, как D), причем при комнатной температуре это уширение много больше естественной ширины линий (узкие линии на рис. 9.10). В результате только «хвосты» спектральных линий могут частично перекрываться (выделенные пунктиром области на рис. 9.10), и поглощение составит ничтожную величину от ожидаемого эффекта.

Совсем иная картина будет наблюдаться, если внедрить ядра- источники и ядра-поглотители в твердое тело, например, в кристаллическую решетку. В этом случае при анализе нужно рассматривать в качестве замкнутой системы весь кристалл в целом. Теория эффекта (при энергиях у-квантов меньших, чем энергия связи атомов в кристалле) показывает, что при испускании одним из ядер у-кванта могут быть реализованы две возможности. Первой возможностью является создание в кристалле упругой волны, коллективного возбуждения - фонона (см. подраздел 2.9.5 и далее 10.3.1), который унесет с собой избыток энергии у-кванта. Это рассеянный «нерезонансный» квант. Другой возможностью может быть испускание у-кванта, когда энергия отдачи передается всему кристаллу целиком (поглощение без возбуждения фононов). При этом в формулу (9.58) для энергии отдачи вместо массы ядра т я, испустившего у-квант, теперь следует подставить макроскопическую массу (М» т я) кристалла, тогда отдача станет практически равной нулю, а энергия у-кванта - равной разности энергий

Евозб - ?осн. Так как рассматривается излучение ядра, непосредственно закрепленного в кристалле, доплеровское уширение за счет теплового движения также мало по сравнению со свободными ядрами. В результате линии испускания и поглощения сузятся до почти естественной ширины, площади их перекроются (максимумы совместятся) - наступит резонанс.

Явление резонансного поглощения у-кванта в твердом теле было впервые обнаружено немецким физиком Р. Мессбауэром в 1958 г., и сам эффект носит его имя. Эффект заключается в испускании и резонансном поглощении у-лучей без отдачи. Соответственно теории, разработанной Лэмбом и Мессбауэром, отношение числа резонансно испущенных (или поглощенных) гамма квантов к их общему числу, называемое вероятностью эффекта Мессбауэра (или фактором Дебая - Валлера), определяется как

где - средний квадрат смещения ядер из положения равновесия при тепловых колебаниях атомов (в направлении вылета квантов - вдоль оси Ох);

Длина волны испущенного (поглощенного) кванта.

То есть вероятность/" прямо (экспоненциально) связана с подвижностью атомов в кристалле.

Как можно наблюдать резонансное поглощение у-лучей в эксперименте? Поясним это с использованием схемы, представленной на рис. 9.11.

Рис. 9.11.

Допустим, что вещества источника излучения и поглотителя одинаковы (одинаковы их электронно-ядерные системы) и находятся в одинаковых внешних условиях. Максимальная величина резонансного поглощения должна наблюдаться, когда источник излучения покоится относительно поглотителя (скорость относительного перемещения и = 0). При движении, например, источника относительно поглотителя это резонансное поглощение может быть легко расстроено путем изменения энергии излучения за счет доплер-эффекта, для этого нужны весьма малые скорости, поскольку необходимо «раздвинуть» линии излучения и поглощения на малую величину энергии, равную нескольким Г, а не R.

Из условия можно оценить скорость относительного движения источника и поглотителя, способную разрушить резонанс. Получаются поразительные цифры (от долей мм/с до см/с) и вывод: несмотря на то, что у-кванты распространяются со скоростью света, относительное движение с небольшой скоростью расстраивает резонанс!

Измеряя интенсивность прошедшего через поглотитель излучения в зависимости от скорости движения источника относительно поглотителя, получают абсорбционный мессбауэровский или гамма- резонансный спектр (спектр поглощения - рис. 9.12).

Рис. 9.12. Экспериментальный гамма-резонансный (мессбауэровский) спектр поглощения антиферромагнетика FeF 3 , отснятый при 4 К

Все другие процессы взаимодействия у-излучения с веществом, которые сопутствуют рассмотренным, но не носят резонансный характер, т.е. не зависят от относительной скорости движения источника излучения и поглотителя, не искажают спектральной картины и непосредственно не проявляются в мессбауэровском спектре.

Возможны также и другие экспериментальные методики, основанные на эффекте Мессбауэра, в частности, использующие в качестве исследуемого вещества сам источник излучения, содержащий радиоактивные ядра, а в качестве поглотителя - какое-либо стандартное вещество. Этот вариант спектроскопии называется эмиссионным, а также опыты с рассеянным резонансным излучением и др.

Химические применения эффекта Мессбауэра и базирующейся на нем гамма-резонансной спектроскопии рассмотрены в подразделе

РЕЗОНАНСНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ

поглощение фотонов частоты v = (Е n - E 0)/h, где Е п и Е 0 - энергии возбуждённого и основного состояний поглощающей системы (напр., атома), h - Планка постоянная . Р. п. наблюдается и в ядерной физике (см. Мёссбауэра эффект).

Большой энциклопедический политехнический словарь . 2004 .

Смотреть что такое "РЕЗОНАНСНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ" в других словарях:

резонансное поглощение - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN resonance absorption …

резонансное поглощение - rezonansinė sugertis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių bangų, kurių dažnis lygus (arba beveik lygus) medžiagos ar terpės atomų elektronų, molekulių atomų, branduolių nukleonų savųjų virpesių dažniui,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

резонансное поглощение - rezonansinė sugertis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. resonance absorption; resonant absorption vok. Resonanzabsorption, f rus. резонансное поглощение, n pranc. absorption par résonance, f; absorption résonante, f … Fizikos terminų žodynas

Избирательное поглощение g квантов атомными ядрами, обусловленное квантовыми переходами ядер в возбуждённое состояние. При облучении в ва g квантами наряду с обычными процессами вз ствия с в вом (см. ГАММА ИЗЛУЧЕНИЕ) возможно Р. п. г. и., когда g … Физическая энциклопедия

резонансное поглощение гамма-излучения - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN resonance gamma absorption … Справочник технического переводчика

резонансное поглощение нейтронов - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN neutron resonance absorptionresonance neutron absorption … Справочник технического переводчика

резонансное поглощение излучения газом - Поглощение излучения невозбужденными атомами газа (т. е. находящимися в нормальном состоянии), при котором фотоны поглощаются полностью, а атомы переходят в возбужденное состояние … Политехнический терминологический толковый словарь

спин-резонансное поглощение - sukininė rezonansinė sugertis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. spin resonance absorption vok. Spinresonanzabsorption, f rus. спин резонансное поглощение, n pranc. absorption par résonance de spin, f … Fizikos terminų žodynas

Превращение энергии эл. магн. волны радиодиапазона при распространениив среде в др. виды энергии. Различают нерезонансное и резонансное П. р … Физическая энциклопедия

Резонансное поглощение γ квантов атомными ядрами, наблюдаемое, когда источник и поглотитель γ излучения твёрдые тела, а энергия γ квантов невелика (Мёссбауэра эффект 150 кэв). Иногда М. э. называется резонансным поглощением без отдачи,… … Большая советская энциклопедия