Мёссба́уэра эффе́кт (ядерный гамма-резонанс, ЯГР), испускание и поглощение γ-квантов атомными ядрами в твердом теле, обусловленные ядерными переходами, не сопровождающимися изменением колебательной энергии тела. Наблюдается при малой энергии γ-квантов. Открыт Р. Л. Мёссбауэром в 1958. Спектр ЯГР даёт сведения о структуре вещества, в котором ядра поглощают γ-кванты. Мёссбауэра эффект используется в физике (исследование структуры твердых тел), химии, биологии и др.

* * *

МЕССБАУЭРА ЭФФЕКТ - МЕССБА́УЭРА ЭФФЕ́КТ испускание или поглощение g-квантов атомными ядрами в твердом теле, обусловленное ядерными переходами, не сопровождающееся изменением колебательной энергии тела, то есть испусканием или поглощением фононов (см. ФОНОН), без отдачи. Наблюдается, когда источник и поглотитель g-излучения - твердые тела, а энергия g-квантов невелика (МЕССБАУЭРА ЭФФЕКТ 150 кэв). Иногда эффект Мессбауэра называется резонансным поглощением без отдачи, или ядерным гамма-резонансом (ЯГР). Открыт Р. Мессбауэром (см. МЕССБАУЭР Рудольф Людвиг) в 1958 г.

Таким ядерным переходам соответствуют линии испускания и поглощения g-лучей, обладающие естественной шириной Г = h/t, где t - среднее время жизни возбужденного состояния ядра, участвующего в g-переходе, и энергией Е_о, равной энергии перехода. Явление ядерного g-резонанса на атомных ядрах заключается в резком возрастании вероятности поглощения или рассеяния g-квантов с энергией, соответствующей возбуждению ядерных переходов.

Ядра атомов, составляющих кристаллическую решетку, при определенных условиях могут излучать g-кванты с энергией, равной энергии ядерного перехода из возбужденного состояние в основное, без потери энергии на отдачу и без передачи энергии колебаниям решетки. При облучении вещества g-квантами наряду с обычными процессами взаимодействия возможно резонансное поглощение g-квантов ядрами, при котором g-квант исчезает, а ядро возбуждается, то есть переходит в состояние с большей внутренней энергией. При испускании или поглощении ядром g-кванта система, содержащая это ядро, приобретает импульс отдачи p = Е_о /c, где Е_о - энергия g-кванта, соответствующая данному квантовому переходу. Этому импульсу отдачи отвечает энергия ?Е = p²/2М, где М - масса системы. При этом энергия, переданная ядру, называемая энергией отдачи, будет обратно пропорциональна массе ядра-излучателя или ядра поглотителя. В случае передачи части энергии g-кванта только ядру, в силу закона сохранения импульса, разрушаются резонансные условия.

В отличие от атомной резонансной флуоресценции, при которой потери энергии на отдачу атома пренебрежимо малы, в случае испускания и поглощения ядром свободного атома g-квантов, энергия которых в десятки тысяч раз больше, смещение линий из-за потери на отдачу оказывается намного больше естественной ширины линий, обусловленной квантовой природой процесса излучения. В случае передачи энергии всему кристаллу, когда атом связан в кристаллической решетке, отдачу ядра при излучении и поглощении g-кванта воспринимает кристалл как целое и, вследствие большой массы кристалла, энергия отдачи будет практически равна нулю. В этом случае под массой следует понимать массу всех ядер кристалла, энергия отдачи в этом случае оказывается значительно меньше, чем энергия отдачи отдельного ядра, и уже не препятствует осуществлению резонансных условий. Можно также сказать, что в этом случае при испускании или поглощении g-кванта энергии отдачи недостаточно для разрыва химических связей в кристаллической решетке и поэтому эта энергия становится достоянием всей решетки как целого. А так как суммарная масса ядер кристалла велика по сравнению с массой одного ядра, отдачей в этом случае можно будет пренебречь. Именно такой резонанс и называется ядерным g-резонансом без отдачи (ЯГР) или эффектом Мессбауэра.

Поэтому для достижения резонанса падающий на ядро g-квант должен иметь энергию на величину ?Е большую, чем энергия перехода. В результате отдачи линии испускания и поглощения свободного и неподвижного ядра смещены в разные стороны от Е_o на величину 2?Е = Е_o²/Мс² и уширены. Всякий возбужденный уровень, кроме величины резонансной энергии E_p, характеризуется шириной линии ?Е.

Согласно соотношению неопределенности, энергия системы в возбужденном состоянии не может быть измерена точно, а только с неопределенностью, связанной со средней продолжительностью жизни возбужденного состояния

Мессбауэр определил условия (достаточно малая энергия перехода, соответствующая энергии g-кванта и низкая температура по сравнению с дебаевской температурой (см. ДЕБАЯ ТЕМПЕРАТУРА) кристалла), при которых импульс и энергия отдачи, возникающие при испускании (и поглощении) g-кванта, передаются упругим образом всему кристаллу в целом. В этом случае энергия испускаемого и поглощаемого g-кванта, соответствующего данному квантовому переходу, совпадают. В первых опытах Мессбауэр пользовался радиоактивным источником ¹⁹¹Ir, охлажденным до температуры жидкого азота (80К), и доля резонансных g-квантов не превышала нескольких процентов.

Так как вероятность эффекта Мессбауэра сильно зависит от температуры, для его наблюдения часто необходимо охлаждать источник g-квантов и поглотитель до температуры жидкого азота или жидкого гелия, однако для g-переходов очень низких энергий (например, E = 14,4 кэв для g-перехода ядра ⁵⁷Fe или E = 23,8 кэв для g-перехода ядра ¹¹⁹Sn) эффект Мессбауэра можно наблюдать вплоть до температур, превышающих 1000 °С. При прочих равных условиях вероятность эффекта Мессбауэра тем больше, чем сильнее взаимодействие атомов в твердом теле, то есть чем больше энергия фононов. Поэтому вероятность эффекта Мессбауэра тем выше, чем больше температура Дебая кристалла.

На основе эффекта Мессбауэра разработан и широко применяется метод Мессбауэровской спектроскопии (см. МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ). Эффект Мессбауэра позволяет с высокой точностью регистрировать изменения энергий ядерных переходов под влиянием электрических и магнитных полей внутри кристалла. С его помощью было экспериментально доказано, что g-излучение обладает гравитационной массой, и в лабораторных условиях были подтверждены выводы общей теории относительности

Мессбауэра эффект

МЁССБАУЭРА ЭФФЕКТ (ядерный гамма-резонанс), испускание и поглощение g-квантов атомными ядрами в твердом теле, не сопровождающееся изменением колебательной энергии тела (Fe, Sn). Наблюдается при малой энергии g-квантов. Открыт немецким физиком Р.Л. Мессбауэром в 1958. Дает сведения о структуре вещества, поглощающего g-кванты. Эффект Мессбауэра используется в физике (исследование структуры твердых тел), химии, биологии, медицине и др.

Составить слова из слова мёссбауэра эффект

МЕССБАУЭРА Эффект (ядерный гамма-резонанс - ЯГР), испускание и поглощение ?-квантов атомными ядрами в твердом теле, обусловленные ядерными переходами, не сопровождающимися изменением колебательной энергии тела. Наблюдается при малой энергии ?-квантов. Открыт Р. Л. Мессбауэром в 1958. Спектр ЯГР дает сведения о структуре вещества, в котором ядра поглощают ?-кванты. Эффект Мессбауэра используется в физике (исследование структуры твердых тел), химии, биологии и др.

МЕССБАУЭРА ЭФФЕКТ - физический процесс, в котором ядра атомов, связанные в твердом теле, испускают и поглощают g-кванты (коротковолновое рентгеновское излучение) без изменения внутренней энергии (т.е. без отдачи). Спектральные линии упругого испускания и поглощения g-лучей чрезвычайно узки (10-5 - 10-10 эВ, относительная ширина 10-10 - 10-15), что позволяет использовать эффект Мессбауэра для измерения малых сдвигов энергии (частоты) g-квантов, вызванных теми или иными воздействиями на ядро. Открытый в 1958 немецким физиком Р.Мессбауэром, эффект основан на известных теоретических принципах, которые Мессбауэр впервые применил к процессам g-излучения. Когда атом кристалла, поглощая или излучая энергию, приобретает небольшой импульс, он обычно претерпевает отдачу, излучая звуковые волны (фононы), и его энергия уменьшается. При испускании g-кванта ядро отдачи движется со скоростью, примерно равной скорости звука в кристалле vзв., и доплеровский сдвиг частоты испускаемого излучения, обусловленный этим движением, составляет примерно vзв./c, где c - скорость света. Это отношение обычно равно МЕССБАУЭРА ЭФФЕКТ10-6. Энергия кванта пропорциональна его частоте, и при вылете из кристалла квант теряет примерно одну миллионную долю своей энергии.

См. также ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ. Аналогичная картина наблюдается при поглощении g-кванта. Естественная ширина линии Dn связана со временем жизни возбужденного состояния t соотношением Dn = 1/t. Следовательно, относительная ширина линии равна:

Для долгоживущих возбужденных состояний эта величина составляет 10-10-10-15, так что доплеровский сдвиг может в миллион раз превышать естественную ширину линии. В результате ядро оказывается неспособно поглощать собственное излучение. Спектральные линии испускания и поглощения для неупругих переходов сдвинуты по разные стороны относительно E0 (энергии ядерного перехода при упругом столкновении) и сильно уширены. Можно показать, что при испускании или поглощении ядром g-кванта системе, содержащей это ядро, передается энергия R - E02/2Mc2 (энергия отдачи), где M - масса ядра, c - скорость света. Отсюда следует, что упругий переход имеет заметную вероятность, когда энергия кванта колебаний кристалла превышает энергию отдачи, т.е. когда энергии отдачи недостаточно для генерации фононов. Это условие будет выполняться при такой энергии g-квантов, когда l > xср.кв., где l - длина волны l-излучения, xср.кв. - среднеквадратичное смещение излучающего или поглощающего ядра от положения равновесия. Для возникновения упругих переходов требуется также, чтобы тело было твердым, а его температура - не слишком высокой. Мессбауэровский эффект может наблюдаться на ядрах стабильных изотопов, обладающих возбужденным уровнем, из которого имеется прямой переход в основное состояние, причем энергия перехода достаточно мала (примерное условие R < 0,1 эВ). Этим условиям удовлетворяет МЕССБАУЭРА ЭФФЕКТ80 изотопов, а мессбауэровский эффект наблюдается в 20 из них, в том числе у Fe57, Sn119, Zn67.

Применение эффекта Мессбауэра. Подтверждение принципа эквивалентности. Один из наиболее значимых результатов, полученных благодаря применению эффекта Мессбауэра, состоял в подтверждении эйнштейновского принципа эквивалентности. Согласно этому принципу, лежащему в основе общей теории относительности, физические явления в поле тяготения неотличимы от явлений, наблюдаемых в неинерциальных (движущихся с ускорением) системах отсчета. В частности, поведение тел на Земле не изменится, если вместо ускорения силы тяжести появится ускорение, направленное вверх и равное 9,8 м/с2 (ускорение свободного падения). Предположим, что квант света движется сверху вниз с высоты h над уровнем Земли. Он пройдет это расстояние за время h/c. Если бы все это время Земля двигалась вверх с ускорением g, то скорость кванта составила бы gh/c, и наблюдатель, находящийся на Земле, зарегистрировал бы доплеровское смещение длины волны света в сторону более коротких волн Dn/n = gh/c2 . Согласно принципу эквивалентности, точно такое же смещение должно наблюдаться и в поле тяготения Земли. В эксперименте, поставленном в 1960 в Гарварде Р.Паундом и Г.Ребкой, было зарегистрировано смещение 5*10-15 от энергии g-кванта, испускаемого источником. Полученный результат совпадал с вычисленным теоретически с точностью до погрешности эксперимента, составлявшей 4%.

Измерение магнитных полей в окрестности ядер. Наличие в окрестности ядра магнитного поля приводит к расщеплению энергетических уровней ядра (эффект Зеемана) и как следствие - к расщеплению линий в спектре Мессбауэра. Измеряя величину расщепления, можно определить магнитное поле. Для ядер Fe57 в металлическом железе получено значение напряженности поля 333 кэВ (26,5*10 6 А/м) при 77 К, причем направление поля противоположно направлению намагниченности образца. Причина, по которой локальное поле имеет столь большие отрицательное значение, пока не найдена.

Исследование свойств кристаллов. С помощью эффекта Мессбауэра по сдвигу линий в спектре можно определить неоднородности электрических полей вблизи ядер, обусловленные влиянием кристаллической решетки.

Исследование свойств ядер. Эффект Мессбауэра позволяет измерить магнитный момент ядра, находящегося в возбужденном состоянии, если известен его момент в основном состоянии. Такие данные необходимы для проверки теоретических моделей поведения возбужденных ядер.

Проверка закона сохранения четности. Если бы ядерные взаимодействия не обладали пространственной симметрией, то наблюдалась бы асимметрия в мессбауэровском спектре при зеемановском расщеплении уровней в случае испускания g-квантов параллельно и антипараллельно магнитному полю. Отсутствие такой асимметрии свидетельствует о том, что ядерные взаимодействия в высшей степени симметричны.

См. также

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ;

РАДИОАКТИВНОСТЬ;

ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ.

ЛИТЕРАТУРА

Эффект Мессбауэра. М., 1962 Белозерский Г.Н. Мессбауэровская спектроскопия как метод исследования поверхностей. М., 1990

Составить слова из слова мессбауэра эффект