Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Мессбауэра эффект

Мессбауэра эффект (далее М) резонансное поглощение g-квантов ядрами, наблюдаемое, когда источник и поглотитель g-излучения — твердые тела, а энергия g-квантов невелика (~ 150 кэв). Иногда М называется резонансным поглощением без отдачи, или ядерным гамма-резонансом (ЯГР).

  При облучении вещества g-квантами наряду с обычными процессами взаимодействия (см. Гамма-излучение) возможно резонансное поглощение g-квантов ядрами, при котором g-квант исчезает, а ядро возбуждается, т. е. переходит в состояние с большей внутренней энергией. Это явление аналогично резонансному поглощению световых квантов (фотонов) (см. Атом, Квантовая электроника). Необходимое условие резонансного поглощения состоит в том, чтобы энергия, которую квант расходует на возбуждение ядра, равнялась бы в точности энергии квантового перехода, т. е. разности внутренних энергий ядра в возбужденном и основном состояниях. На первый взгляд это условие автоматически удовлетворяется, когда излучающие и поглощающие ядра одинаковы (рис. 1). Однако g-квант с энергией E обладает импульсом p = E/с (где с — скорость света, см. Корпускулярно-волновой дуализм), и по закону сохранения импульса при излучении или поглощении кванта ядром последнее испытывает отдачу. Излучающее ядро массы М, получив импульс приобретает кинетическую энергию DE = р2/2М  = E2/2Мс2. Т. о., часть энергии g-перехода трансформируется в кинетическую энергию ядра и энергия испущенного кванта меньше полной энергии g-перехода на величину DE. Такая же энергия DE передается свободному (покоящемуся) ядру и в процессе поглощения. Поэтому для достижения резонанса падающий на ядро g-квант должен иметь энергию на величину DE большую, чем энергия перехода. В результате линии испускания и поглощения оказываются смещенными друг относительно друга на величину 2DE = E2/Мс2 (рис. 2).

  Величина DE составляет весьма небольшую долю от энергии перехода E, однако DE всегда значительно превосходит ширину линии излучения. Поэтому линии испускания и поглощения почти не перекрываются и вероятность резонансного поглощения g-квантов чрезвычайно мала. Например, для g-излучения 14,4 кэв (ядра 57) DE " 2´10-3 эв, тогда как естественная ширина линии G " 4,6´10-9 эв (см. Ширина спектральных линий).

  Обычно ядра входят в состав твердых тел или жидкостей, т. е. не являются свободными, однако в большинстве случаев потеря энергии DE из-за отдачи практически не отличается от рассмотренного выше случая свободных и неподвижных ядер. Кроме того, ширины линий g-излучения обычно существенно превосходят естественные ширины G вследствие доплеровского уширения, возникающего при тепловом движении (см. Доплера эффект). Однако при комнатной температуре перекрытие линий испускания и поглощения остается все же незначительным. При наблюдении резонансного поглощения света аналогичная трудность, как правило, не возникает: из-за малой энергии фотона энергия отдачи мала и смещения линий испускания и поглощения незначительны. Чтобы сделать резонансное поглощение g-квантов наблюдаемым, приходится искусственно увеличивать перекрытие линий испускания и поглощения. Для этого используют сдвиг линий за счет эффекта Доплера, при встречном движении излучающего и поглощающего ядер. В осуществленных экспериментах необходимая скорость движения (сотни м/сек) сообщалась одним из трех способов: путем механического перемещения источника или поглотителя; за счет отдачи, испытываемой ядром, если излучению g-кванта предшествует a- или b-распад; за счет нагревания источника и поглотителя до высокой температуры.

  В 1958 Р. Мессбауэр обнаружил, что для ядер, входящих в состав твердых тел, при малых энергиях g-переходов может происходить испускание и поглощение g-квантов без потери энергии на отдачу. В спектрах испускания и поглощения наблюдаются несмещенные линии с энергией, в точности равной энергии g-перехода, причем ширины этих линий равны (или весьма близки) естественной ширине G. В этом случае линии испускания и поглощения перекрываются, что позволяет наблюдать резонансное поглощение g-квантов.

  Это явление, получившее наименование М, обусловлено коллективным характером движения в твердом теле. Благодаря сильному взаимодействию в твердых телах энергия отдачи передается не отдельному ядру, а превращается в энергию колебаний кристаллической решетки, иными словами, отдача приводит к рождению фононов. Но если энергия отдачи (рассчитанная на одно ядро) меньше средней энергии фонона, характерной для данного то отдача не каждый раз будет приводить к рождению фонона. В таких "бесфононных" случаях отдача не изменяет внутренней энергии Кинетическая же энергия, которую приобретает в целом, воспринимая импульс отдачи g-кванта, пренебрежимо мала. Передача импульса в этом случае не будет сопровождаться передачей энергии, а поэтому положение линий испускания и поглощения будет точно соответствовать энергии E перехода.

  Вероятность такого процесса достигает нескольких десятков %, если энергия g-перехода достаточно мала; практически М наблюдается только при DE " 150 кэв (с увеличением E вероятность рождения фононов при отдаче растет). Вероятность М сильно зависит также от температуры. Часто для наблюдения М необходимо охлаждать источник g-квантов и поглотитель до температуры жидкого или жидкого однако для g-переходов очень низких энергий (например, E = 14,4 кэв для g-перехода ядра 57 или 23,8 кэв для g-перехода ядра 119) М можно наблюдать вплоть до температур, превышающих 1000 °С. При прочих равных условиях вероятность М тем больше, чем сильнее взаимодействие в твердом теле, т. е. чем больше энергия фононов. Поэтому вероятность М тем выше, чем больше Дебая температура
  Существенным свойством резонансного поглощения без отдачи, превратившим М из лабораторного эксперимента в важный метод исследования, является чрезвычайно малая ширина линии. Отношение ширины линии к энергии g-кванта при М составляет, например, для ядер 57 величину "3´10-13, а для ядер 67 "5,2´10-16. Такие ширины линий не достигнуты даже в газовом лазере, являющемся источником самых узких линий в инфракрасном и видимом диапазоне электромагнитных волн. С помощью М оказалось возможным наблюдать процессы, в которых энергия g-кванта на чрезвычайно малую величину ("G или даже небольших долей G) отличается от энергии перехода ядер поглотителя. Такие изменения энергии приводят к смещению линий испускания и поглощения друг относительно друга, что влечет за собой изменение величины резонансного поглощения, которое может быть измерено.

  Возможности методов, основанных на использовании М, хорошо иллюстрирует эксперимент, в котором удалось измерить в лабораторных условиях предсказанное относительности теорией изменение частоты кванта электромагнитного излучения в гравитационное поле Земли. В этом эксперименте (Р. Паунда и Г. Ребки, США, 1959) источник g-излучения был расположен на высоте 22,5 м над поглотителем. Соответствующее изменение гравитационного потенциала должно было привести к относительному изменению энергии g-кванта на величину 2,5´10-15. Сдвиг линий испускания и поглощения оказался в соответствии с теорией.

  Под влиянием внутренних электрических и полей, действующих на ядра в твердых телах (см. Кристаллическое поле), а также под влиянием внешних факторов (давление, внешние поля) могут происходить смещения и расщепления уровней энергии ядра, а следовательно, изменения энергия перехода. Т. к. величины этих изменений связаны с микроскопической структурой твердых тел, изучение смещения линий испускания и поглощения дает возможность получить информацию о строении твердых тел. Эти сдвиги могут быть измерены с помощью мессбауэровских спектрометров (рис. 3). Если g-кванты испускаются источником, движущимся со скоростью v относительно поглотителя, то в результате эффекта Доплера энергия g-квантов, падающих на поглотитель, изменяется на величину Ev/c (для ядер, обычно применяемых при наблюдении М, изменение энергии E на величину G соответствует значениям скоростей v от 0,2 до 10 мм/сек). Измеряя зависимость величины резонансного поглощения от v (спектр мессбауэровского резонансного поглощения), находят то значение скорости, при котором линии испускания и поглощения находятся в точном резонансе, т. е. когда поглощение максимально. По величине v определяют смещение DE между линиями испускания и поглощения для неподвижных источника и поглотителя.

  На рис. 4, а показан спектр поглощения, состоящий из одной линии: линии испускания и поглощения не смещены друг относительно друга, т. е. находятся в точном резонансе при v = 0. Форма наблюдаемой линии может быть с достаточной точностью описана лоренцовой кривой (или Брейта — Вигнера формулой) с шириной на половине высоты 2G. Такой спектр наблюдается только в том случае, когда вещества источника и поглотителя тождественны и когда на ядра в этих веществах не действуют ни ни неоднородное электрическое поля. В большинстве же случаев в спектрах наблюдаются несколько линий (сверхтонкая структура), обусловленных взаимодействием ядер с внеядерными электрическими и полями. Характеристики сверхтонкой структуры зависят как от свойств ядер в основном и возбужденном состояниях, так и от особенностей структуры твердых тел, в состав которых входят излучающие и поглощающие ядра.

  Важнейшими типами взаимодействий ядра с внеядерными полями являются электрическое монопольное, электрическое квадрупольное и дипольное взаимодействия. Электрическое монопольное взаимодействие представляет собой взаимодействие ядра с электростатическим полем, создаваемым в области ядра окружающими его электронами; оно приводит к возникновению в спектре поглощения сдвига линии d (рис. 4, б), если источник и поглотитель не тождественны или если распределение электрического заряда в ядре неодинаково в основном и возбужденном состояниях (см. Изомерия атомных ядер). Этот т. н. изомерный или сдвиг пропорционален электронной плотности в области ядра, и его величина является важной характеристикой химической связи в твердых телах (см. Кристаллохимия). По величине этого сдвига можно судить об ионном и ковалентном характере связи, об эффективных зарядах в соединениях, об электроотрицательности входящих в состав молекул, и т.д. Исследование сдвигов позволяет также получать сведения о распределении заряда в ядрах.

  Электрическое квадрупольное взаимодействие — взаимодействие квадрупольного момента ядра с неоднородным электрическим полем приводит к расщеплению ядерных уровней, в результате чего в спектрах поглощения наблюдается не одна, а несколько линий. Например, для ядер 57, 119 и 125 в спектрах поглощения наблюдаются две линии (квадрупольный дублет, рис. 4, в). Разность энергии между компонентами дублета D пропорциональна произведению квадрупольного момента ядра на градиент электрического поля в области ядра. Т. к. величина градиента электрического поля является характеристикой симметрии зарядов, окружающих ядро в твердом теле, то исследование квадрупольного взаимодействия позволяет получить информацию об электронных конфигурациях и ионов, об особенностях структуры твердых тел, а также о квадрупольных моментах ядер.

  дипольное сверхтонкое взаимодействие обычно наблюдается в (ферро-, антиферро-, ферримагнитных) веществах, в которых на ядра действуют сильные поля Н, достигающие величины "106 э (см. Магнетизм, Ферромагнетизм и др.). Энергия дипольного взаимодействия пропорциональна произведению момента ядра на Н и зависит от ориентации поля. Поэтому дипольное взаимодействие приводит к расщеплению основного и возбужденных уровней ядер, в результате чего в спектре поглощения наблюдаются несколько линий, число которых соответствует числу возможных g-переходов между подуровнями основного и возбужденных состояний (см. Зеемана эффект). Например, для ядра 57 число таких переходов равно 6 (рис. 4, г). По расстоянию между компонентами сверхтонкой структуры можно определить напряженность поля, действующего на ядро в твердом теле. Величины этих полей очень чувствительны к особенностям электронной структуры твердого тела, к составу материалов, поэтому исследование сверхтонкой структуры широко используется для изучения свойств
  Важной для физики твердого тела характеристикой М является также его вероятность. Измерение вероятности М и ее зависимости от температуры позволяет получить сведения об особенностях взаимодействия в твердых телах и о колебаниях в решетке. Измерения, в которых используется М, отличаются высокой избирательностью, т.к. в каждом эксперименте резонансное поглощение наблюдается только для ядер одного сорта. Эта особенность метода позволяет эффективно использовать М в тех случаях, когда на ядрах которых наблюдается М, входят в состав твердых тел в виде примесей. М успешно используется для исследования электронных состояний примесных в металлах и полупроводниках и для изучения особенностей колебаний примесных в
  М находит также применение в биологии (например, исследование электронной структуры гемоглобина), в геологической разведке (экспресс-анализ руд), для целей анализа, для измерения скоростей и вибраций и т.п. М наблюдался для 73 изотопов 41 элемента; самым легким среди них является 40, самым тяжелым — 243.

  Лит.: Эффект Мессбауэра. Сб. ст., под ред. Ю. Кагана, М., 1962; Мессбауэр Р., Эффект RK и его значение для точных измерений, в сборнике: Наука и человечество, М., 1962; Фрауэнфельдер Г., Эффект Мессбауэра, пер. с англ., М., 1964; Вертхейм Г., Эффект Мессбауэра, пер. с англ., М., 1966; Шпинель В. С., Резонанс гамма-лучей в М., 1969; применения мессбауэровской спектроскопии, пер. с англ., под ред. В. И. Гольданского (и др.), М., 1970; Эффект Мессбауэра. Сб. переводов статей, под ред. Н. А. Бургова и В. В. Скляревского, пер. с англ., нем., М., 1969.

  Н. Н. Делягин.



Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 29.05.2024 20:22:45