Учебное пособие Алматы 2013 ббк удк номер
§2.10 Эффект Мёесбауэра и его применение в физике и технике
жүктеу/скачать 1,73 Mb.
|
treatise11751
| §2.10 Эффект Мёесбауэра и его применение в физике и технике
В 1958 г в физике γ-излучения было сделано интересное открытие, получившее по имени автора название «эффект Мёесбауэра». Этот эффект является ядерным аналогом резонансной флюоресценции. Заключается он в том, что атомы с большой вероятностью поглощают фотоны, энергия которых в точности соответствует разности энергий атома. После поглощения атом переходит в возбужденное состояние и по истечении времени жизни в этом состоянии τ ( ) вновь испускает фотон той же частоты. Такое же явление резонансного поглощения должно наблюдаться и у ядер. Ядра также имеют квантованные уровни энергии и при переходе из одного состояния в другое испускают γ-лучи. Если энергия этих лучей будет совпадать с разностью в энергиях уровней ядер того же вещества, используемых в качестве поглотителя, то они будут поглощать γ-лучи с большой вероятностью, а затем через малое время снова их излучать. Однако попытки осуществить ядерное резонансное поглощение γ-квантов долго не приводили к успеху. Это связано с тем, что испускаемый γ-квант передает часть своей энергии ядру отдачи и оставшаяся у него энергия оказывается меньше разности уровней ядра – поглотителя. Аналогично для возбуждения ядра до энергии Е необходимо γ-излучение с энергией Т аким образом, линия испускания и линия поглощения для одного и того же состояния в ядре сдвинуты относительно друг друга на 2 . Энергия излучаемых квантов не строго одинакова: спектральная линия имеет малую, но конечную ширину . Чем больше время жизни ядра τ по отношению к испусканию γ-кванта, тем точнее задана энергия ядра, чем быстрее происходит высвечивание возбужденного состояния, тем больше неопределенность в значении энергии возбужденного состояния. Только основное состояние стабильного ядра имеют Рис.2.16 и , следовательно, характеризуется строго определенным значением энергии. Неопределенность в энергии возбужденного состояния приводит к немонохроматичности γ-излучения. Эту немонохроматичность принято называть естественной шириной Г линии испускания γ-излучения. Рассмотрим в качестве примера , которое находится в возбужденном состоянии время = 10-7с и испускает γ-лучи с . Ширина Рис.2.16 уровня этого ядра Это очень малая величина по сравнению с энергией γ-перехода 14 кэВ. . Энергию отдачи легко подсчитать, если учесть, что в процессе испускания γ-кванта должен выполняться закон сохранения импульса Для : Казалось бы, отсюда следует абсолютная невозможность резонансного процесса. Резонансное поглощение может иметь место тогда, когда энергия отдачи меньше ширины линии Г: . Для обычной оптической резонансной флюоресценции это условие прекрасно соблюдается. Ширина уровня Г для атома по порядку величины такая же, как и для ядра Fe, эВ, а передаваемая атомам кинетическая энергия (энергия светового фотона ) и поэтому резонанс наблюдается. Для реализации резонанса на ядрах надо как-то компенсировать энергию, потерянную квантом . И эта компенсация происходит за счет эффекта Доплера. Оказывается, что реальная ширина линии испускания ( и линии поглощения) определяется не естественной шириной Г, а доплеровским уширением. Доплеровское уширение линий объясняется разным доплеровским смещением линий, испускаемых разными атомами, из-за различия в скорости и направления их теплового движения. Если источник излучения движется по направлению к поглотителю со скоростью , о воспринимаемая поглотителем частота излучения возрастает на , следовательно, и энергию кванта увеличивается на . Доплеровское уширение . При комнатной температуре (Т=300К) kT=0,025 эВ. В связи с тем, что доплеровски уширенные линии испускания и поглощения частично перекрываются и резонансный процесс становится возможным. Правда наблюдается он только для очень малого количества γ-квантов, соответствующих небольшой области перекрытия линий. Для увеличения эффекта нужно источник заставить двигаться с определенной скоростью. Можно определить скорость движения, необходимую для компенсации энергии, переданной ядром отдачи. Если источник излучения движется по направлению к поглотителю со скоростью , то воспринимаемая поглотителем частота излучения возрастает на . Следовательно, и энергия γ-кванта увеличивается на Откуда для источника : Эта идея была реализована экспериментально. Источник γ-излучения крепился на роторе ультрацентрифуги. При достаточно больших оборотах резонанс действительно восстанавливается. Но такой метод резонансного поглощения использовать для точных измерений невозможно. В 1958 г немецкий физик Мёесбауэр показал, что в том случае, когда излучающие и поглощающие ядра входят в состав кристаллических решеток, импульс отдачи ядра уменьшается. Энергия отдачи передается в этом случае не отдельному ядру, а кристаллу. Таким образом, масса кристалла во много раз больше массы ядра, то потери на отдачу становится возможными акты испускания и поглощения γ-квантов без отдачи, то есть сдвиг между линией испускания и линией поглощения исчезнет Одновременно должно исчезнуть и доплеровское уширение Д, которое теперь будет меньше естественной ширины линии Г. Таким образом, должен наблюдаться острый резонанс без отдачи с шириной, равной естественной ширине линии Г. Теория и опыт показывает, что вероятность испускания γ-кванта без передачи энергии кристаллу велика, если будет выполнен ряд условий. Энергия связи иона в узле кристаллической решетки должна быть больше энергии отдачи (иначе ион теряет возможности передачи импульса кристаллу) Поскольку энергия отдачи будет тем меньше, чем больше энергия квантов , наилучшие результаты следует ожидать для ядер, которые излучают γ-кванты невысоких энергий, в том числе для ( . Т епловые движения ядер будут нарушать четкость наблюдаемого резонанса. Движение в направлении γ-излучения увеличивает частоту γ-квантов, а движение в противоположном направлении уменьшает, в силу степень моноэнергетичности излучения ухудшается. Поэтому для получения острого резонанса кристаллической излучатель и поглотитель подвергают охлаждению до низких температур (температура жидкого азота 88К или даже жидкого гелия 4К). Источник и поглотитель были помешены в Рис.2.17 криостаты К1 и К2, в которых поддерживалась температура 88К. криостат К2 с источником мог вращаться. При вращении его в одну сторону источник приближался к поглотителю, а при вращении в другую сторону удалялся от него с той же скоростью. В опыте измерялось поглощение γ-квантов при различных скоростях источника. О строго резонанса такова, что изменение скорости всего лишь на 0,1мм/с достаточно для того, чтобы он не наблюдался. Это позволяет использовать эффект для измерения сдвига частот с точностью Метод резонансного поглощения позволяет Рис.2.18 измерять очень малые изменения энергии. Мерой точности метода может служить величина . На самом деле относительная точность измерения энергии еще выше, так как экспериментально можно заметить изменение поглощения при сдвиге линии на 0,01 долю от её естественной ширины. За открытие излучения Мессбауэру была присуждена Нобелевская премия по физике за 1961 год. Эффект Мессбауэра интересен и уникален тем, что с его помощью измерение энергии можно производить с колоссальной относительной точностью (до 15-17 порядков). Рассмотрим несколько примеров из ядерной и общей физики. Сверхтонкое расщепление ядерных уровней. Сверхтонкое расщепление электронных уровней ( . Расщепление спектральных линий такого масштаба можно измерить методами оптической спектроскопии. Ядерные переходы . Поэтому относительное значение сверхтонкого расщепления ядерных уровней гораздо меньше, чем электронных Расщепление такого масштаба можно измерить только с помощью эффекта Мессбауэра. Процессы, происходящие в атомных оболочках, оказывают ничтожное влияние на внутриядерные явления. С помощью эффекта Мессбауэра это влияние удается обнаружить. Линии мессбауэрских спектров заметно сдвигаются по ширине при переходе от одного химического соединения к другому, при изменении структуры кристаллической решетки, при изменении температуры, при наложении механических напряжений и т.д. Поэтому эффект Мессбауэра сейчас широко используется в исследованиях по физике твердого тела. Например, он оказался незаменимым для изучения фазовых переходов II рода, при которых не меняется плотность, но меняется структура решетки. Рекордная точность получена при измерении столь тонкого эффекта как зависимость энергии (то есть частота) γ-кванта от высоты источника за счет силы тяжести. Если источник находится на H метров ниже поглотителя, то резонансные линии источника и поглотителя будут смещены относительно друг друга на потенциальную энергию Uγ-кванта в гравитационном поле. Относительное изменение энергии (H=30м), то есть доступно измерению с помощью эффекта Мессбауэра. Такие измерения действительно были проделаны с изотопом и дали согласие с расчетом. (1959 г, Паунд, Ребка). жүктеу/скачать 1,73 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|