Физика атома и ядра. Слепцов И.А., Слепцов А.А.

Механизм излучения γ - квантов ядрами такой же, как в случае испускания фотонов атомами. Гамма-кванты те же фотоны - частицы электромагнитного излучения, но очень высокой энергии по сравнению с энергией световых фотонов. Причиной излучения в том и другом случае является квантовый переход из возбужденного состояния в менее возбужденное состояние, как правило, в основное состояние. Следовательно, отсюда следует вывод, что в случае атомных ядер должно наблюдаться так называемое резонансное поглощение. Резонансное поглощение заключается в том, что если излучение определенной частоты v падает на атом и переводит его в первое возбужденное состояние, то атом как бы отзывается этому падению и испускает излучение той же частоты v. В случае атомов такое явление нетрудно наблюдать. Ученым долгое время не удавалось обнаружить резонансное поглощение γ - квантов атомными ядрами, и создавалось у них впечатление, что общий механизм излучения в данном случае не срабатывает.

Только в 1958 году Мёссбауэру удалось наблюдать резонансное поглощение в случае атомных ядер и выяснить причину неудач прежних экспериментальных попыток. Оказалось, что при излучении γ - кванта ядро испытывает значительную отдачу и откатывается назад, приобретая при этом некоторый импульс. Для этого необходима некоторая кинетическая энергия K_γ, Её можно вычислить, применяя закон сохранения энергии. Согласно этому закону энергия γ - кванта распределится следующим образом:

 

hv=(E*-E0)-Kя=(E*-E0)-p2/2M=(E*-E0)-h2v2/2Mc2.

(1)

 

Здесь M - масса ядра, K_я - его кинетическая энергия, которую оно приобрело в результате отдачи. Оказалось, что из-за кинетической энергии отдачи ядра, равной K_я, энергия E^*-E₀ оказалось меньше той энергии перехода ΔE, которая необходима для квантового перехода из этого возбужденного состояния в нормальное состояние. А чтобы переход все же осуществлялся, необходимо компенсировать энергию K_я, которая идет на импульс отдачи. Он указал, что энергия падающего фотона должна быть больше, чем энергии перехода, которая полагалась по теории обычного квантового перехода

 

hv>E*-E0,

(2)

 

где не учитывается энергия отдачи. Мёссбауэр нашел способ компенсировать эту энергию. Оказалось, что в некоторых кристаллах при их охлаждениях до весьма низких температур создаются такие условия, при которых импульс отдачи γ - кванта сообщается не отдельному ядру, а целиком всему кристаллу. При этом, естественно, из-за огромной массы кристалла и кинетическая энергия отдачи кристалла ничтожна, энергия излученного кванта будет почти равна энергии квантового перехода hv. Если поток таких квантов будет пропущен через некоторый образец, содержащий атомные ядра того же изотопа, то можно наблюдать резонансное поглощение γ - квантов атомными ядрами. Мёссбауэр сумел создать установку, при помощи которой у атомных ядер можно было наблюдать резонансное поглощение. По этой причине данное явление получило название эффекта Мёссбауэра.