Эффект Мессбауэра

В заключение рассмотрим открытый в 1958 г. эффект Мессбауэра, т. е. так называемое резонансное поглощение гамма-фотонов.

Пусть некоторое ядро испускает гамма-фотон большой энергии. При этом оно должно приобрести импульс, равный по модулю, но противоположный по направлению импульсу фотона:

и соответствующую кинетическую энергию (т — масса ядра):

(16.3)

Поэтому энергия фотона W окажется меньше «нормальной» энергии A W, равной разности энергий двух состояний:

Но ядро может поглощать лишь определенную энергию ΔW. Следовательно, резонансное поглощение (т. е. поглощение испущенного этим же веществом фотона) не произойдет, если ширина линии поглощения достаточно мала.

Рис 16.6

Резонансное поглощение хорошо наблюдается в оптике (при электронных переходах в атомной оболочке), так как в этом случае энергия и импульс фотона невелики и поправка (16.3) незначительна. Для гамма-лучей, испускаемых ядрами, она велика. Однако Мессбауэр, рассмотрев эту квантовомеханическую задачу, пришел к выводу, что в твердом теле, где атомы связаны друг с другом, возможен процесс испускания, при котором импульс будет передаваться не какому-то одному атому решетки, а всему макроскопическому кристаллу. Тогда из-за. громадной массы кристалла приобретаемая им энергия будет относительно ничтожна, и поправка (16.3), а с ней и полуширина линии поглощения станет малой.

Идея опыта, подтверждающего мысль Мессбауэра, проста, хотя выполнение его связано с рядом практических трудностей. Пусть К — макроскопический кристалл, служащий источником гамма-фотонов; П— поглотитель из того же вещества (рис. 16.5). Счетчик фотонов Срасположен за поглотителем. Фотоны с частотой v₀ не поглощаются и поступают в счетчик. Пусть теперь источник начинает двигаться относительно поглотителя со скоростью (справа налево). Благодаря эффекту Допплера частота гамма-фотонов изменяется, и поглотитель поглощает много, а счетчик соответственно регистрирует меньшее число фотонов, прошедших сквозь поглотитель (рис. 16.6). При увеличении скорости v наступает резонансное поглощение, число регистрируемых счетчиком фотонов резко уменьшается. При дальнейшем росте скорости источника относительно поглотителя число регистрируемых фотонов снова возрастает. Если ширина линии поглощения есть Δv, to для выхода из резонанса кристалл должен двигаться со скоростью, отвечающей изменению энергии:

Но при малых используемых скоростях (их масштаб виден из рисунка) изменение энергии фотона за счет эффекта Допплера равно:

Поэтому получается:

В одном из опытов Мессбауэра Δv= 10⁷ Гц, v₀=10¹⁹ Гц, поэтому скорость получилась равной ν=3 x 10^-4 м/с. Таким образом, полуширина оказывалась рекордно узкой (10^—12 Гц), а возможность контролировать изменения частоты — рекордно высокой.

В качестве примера использования эффекта Мессбауэра укажем уникальный опыт по проверке одного из выводов общей теории относительности: удалось измерить при движении гамма-фотона в поле тяжести изменение его энергии, составлявшее всего лишь 10^-15начальной энергии. В настоящее время эффект Мессбауэра находит широкое техническое применение.