Соросовский образовательный журнал, 1998, №8, 82-87 стр.
МЁССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
В. Ф. МАСТЕРОВ
ВВЕДЕНИЕ
Явление ядерного гамма-резонанса было открыто немецким физиком Р. Мёссбауэром в 1957 году и названо эффектом Мёссбауэра. В 1961 году автор этого открытия получил Нобелевскую премию, а само явление нашло широкое применение при исследованиях электронной структуры твердых тел.
Суть эффекта Мессбауэра состоит в испускании и поглощении квантов электромагнитной энергии (гамма-квантов) ядрами в твердом теле без потери энергии на отдачу. Поясним это определение. Дело в том, что атомное ядро, как и атом или ион, может находиться в основном состоянии, то есть состоянии с наименьшей энергией, и в возбужденных состояниях с более высокой энергией. Эти состояния обозначаются на диаграммах сплошными горизонтальными линиями, как это показано на рис. 1, а по вертикали откладываются значения энергии. Энергия основного состояния при этом принимается равной нулю. Энергия первого возбужденного состояния различна у разных ядер и может составлять десятки килоэлектронвольт (1 кэВ = 103 эВ, 1 эВ = 1,6- 10-19 Дж).
Рис. 1. Энергетическая диаграмма и схема внутриядерных переходов изотопа 119Sn. Слева указаны значения спина основного и возбужденного состояний этого изотопа, а также изомера 119mSn
Рис. 1. Энергетическая диаграмма и схема внутриядерных переходов изотопа 119Sn. Слева указаны значения спина основного и возбужденного состояний этого изотопа, а также изомера 119mSn
В возбужденном состоянии ядро может оказаться либо в результате поглощения гамма-кванта, энергия которого ћω равна разности энергий между возбужденным и основным состояниями ядра, либо в результате радиоактивного распада. В первом случае происходит поглощение гамма-кванта, во втором — при переходе ядра из возбужденного состояния в основное — происходит его испускание. Если ядра, испускающие или поглощающие гамма-кванты, находятся в состоянии теплового движения (жидкость, газ), то при этом в соответствии с законами сохранения энергии и импульса энергия гамма-квантов будет определяться и состоянием движения ядер. Поскольку скорости движения ядер в газе или жидкости могут быть различными, то и энергии гамма-квантов будут составлять некоторый набор энергий, в результате чего линия поглощения (излучения) окажется широкой. Здесь можно привести аналогию с одинаковыми откатными орудиями, движущимися с различными скоростями; очевидно, что кинетическая энергия снарядов, выпущенных из них, будет различна. Однако если лафеты орудий упереть в неподвижную стену, то при прочих равных условиях кинетическая энергия выпущенных снарядов будет одна и та же независимо от того, из какого орудия выпущен снаряд. Аналогично при излучении гамма-кванта ядра, сравнительно жестко закрепленные в узлах кристаллической решетки твердого тела, должны испускать (поглощать) кванты практически одной и той же энергии. При этом линия излучения (поглощения) становится очень узкой, ее ширина в отдельных измерениях при низких температурах становится практически равной естественной ширине линии. Именно поэтому эффект Мёссбауэра определяют как поглощение (излучение) гамма-квантов атомными ядрами без потери энергии на отдачу (имеется в виду отдача ядра).
Очень малая ширина линии излучения гамма-квантов в эффекте Мёссбауэра была использована американскими физиками Паундом и Ребки в 1960 году для экспериментального подтверждения одного из основных выводов общей теории относительности А. Эйнштейна — красного смещения частоты электромагнитного излучения в поле тяжести Земли. Наиболее широкое применение эффект Мёссбауэра нашел в физике и химии твердого тела.
Данная публикация подготовлена по материалам статьи - Мастеров В. Ф. Мёссбауэровская спектроскопия // Соросовский образовательный журнал, 1998, №8, 82-87 стр.