Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Общая физика
Посмотреть оригинал

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 Ежн и возбужденного ?возб 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 Еит6Еосн = АЕ на частотной

шкале будет находиться при частоте ю= ^в°з6—. Можно оценить

h

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, а т — характерное время жизни ядра в возбужденном состоянии.

Отношение естественной ширины спектральной линии к значению энергии перехода (для резонансного перехода Со57 —> Fe57, 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 ?вшбЕжн. 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, = ря (импульс кванта равен ptу/с, где Еу 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/Y - 105). 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-п 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 (104 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 ~10-8 эВ, разойдутся на величину 2R = 10_3э (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.

Смещение спектральных линий источника и поглотителя при ядерных энергетических переходах

Рис. 9.10. Смещение спектральных линий источника и поглотителя при ядерных энергетических переходах

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 тя, испустившего у-квант, теперь следует подставить макроскопическую массу (М» тя) кристалла, тогда отдача станет практически равной нулю, а энергия у-кванта — равной разности энергий

?„озб — Еосн- 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.

где <х2> — средний квадрат смещения ядер из положения равновесия при тепловых колебаниях атомов (в направлении вылета квантов — вдоль оси Ох)

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

X = — — 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.

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 о = 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 Рис. 9.11. Схема экспериментальной на малую величину энергии, рав- установки для наблюдения

ную нескольким Г, а не R. эффекта Мессбауэра

Из условия ——— ~ 10-12 можно оценить скорость относитель- АЕ с

ного 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).

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

Рис. 9.12. Экспериментальный гамма-резонансный (мессбауэровский) спектр поглощения антиферромагнетика FeF3, 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

11.2.1.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы