Энциклопедия Кольера - мессбауэра эффект

физический процесс, в котором ядра атомов, связанные в твердом теле, испускают и поглощают g-кванты (коротковолновое рентгеновское излучение) без изменения внутренней энергии (т.е. без отдачи). Спектральные линии упругого испускания и поглощения g-лучей чрезвычайно узки (10-5 10-10 эВ, относительная ширина 10-10 10-15), что позволяет использовать эффект Мессбауэра для измерения малых сдвигов энергии (частоты) g-квантов, вызванных теми или иными воздействиями на ядро. Открытый в 1958 немецким физиком Р.Мессбауэром, эффект основан на известных теоретических принципах, которые Мессбауэр впервые применил к процессам g-излучения. Когда атом кристалла, поглощая или излучая энергию, приобретает небольшой импульс, он обычно претерпевает отдачу, излучая звуковые волны (фононы), и его энергия уменьшается. При испускании g-кванта ядро отдачи движется со скоростью, примерно равной скорости звука в кристалле vзв., и доплеровский сдвиг частоты испускаемого излучения, обусловленный этим движением, составляет примерно vзв./c, где c скорость света. Это отношение обычно равно МЕССБАУЭРА ЭФФЕКТ10-6. Энергия кванта пропорциональна его частоте, и при вылете из кристалла квант теряет примерно одну миллионную долю своей энергии.

См. также Доплера Эффект. Аналогичная картина наблюдается при поглощении g-кванта. Естественная ширина линии Dn связана со временем жизни возбужденного состояния t соотношением Dn = 1/t. Следовательно, относительная ширина линии равна:

xср.кв., где l длина волны l-излучения, xср.кв. среднеквадратичное смещение излучающего или поглощающего ядра от положения равновесия. Для возникновения упругих переходов требуется также, чтобы тело было твердым, а его температура не слишком высокой. Мессбауэровский эффект может наблюдаться на ядрах стабильных изотопов, обладающих возбужденным уровнем, из которого имеется прямой переход в основное состояние, причем энергия перехода достаточно мала (примерное условие R < 0,1 эВ). Этим условиям удовлетворяет МЕССБАУЭРА ЭФФЕКТ80 изотопов, а мессбауэровский эффект наблюдается в 20 из них, в том числе у Fe57, Sn119, Zn67.

Применение эффекта Мессбауэра. Подтверждение принципа эквивалентности. Один из наиболее значимых результатов, полученных благодаря применению эффекта Мессбауэра, состоял в подтверждении эйнштейновского принципа эквивалентности. Согласно этому принципу, лежащему в основе общей теории относительности, физические явления в поле тяготения неотличимы от явлений, наблюдаемых в неинерциальных (движущихся с ускорением) системах отсчета. В частности, поведение тел на Земле не изменится, если вместо ускорения силы тяжести появится ускорение, направленное вверх и равное 9,8 м/с2 (ускорение свободного падения). Предположим, что квант света движется сверху вниз с высоты h над уровнем Земли. Он пройдет это расстояние за время h/c. Если бы все это время Земля двигалась вверх с ускорением g, то скорость кванта составила бы gh/c, и наблюдатель, находящийся на Земле, зарегистрировал бы доплеровское смещение длины волны света в сторону более коротких волн Dn/n = gh/c2 . Согласно принципу эквивалентности, точно такое же смещение должно наблюдаться и в поле тяготения Земли. В эксперименте, поставленном в 1960 в Гарварде Р.Паундом и Г.Ребкой, было зарегистрировано смещение 5*10-15 от энергии g-кванта, испускаемого источником. Полученный результат совпадал с вычисленным теоретически с точностью до погрешности эксперимента, составлявшей 4%.

Измерение магнитных полей в окрестности ядер. Наличие в окрестности ядра магнитного поля приводит к расщеплению энергетических уровней ядра (эффект Зеемана) и как следствие к расщеплению линий в спектре Мессбауэра. Измеряя величину расщепления, можно определить магнитное поле. Для ядер Fe57 в металлическом железе получено значение напряженности поля 333 кэВ (26,5*10 6 А/м) при 77 К, причем направление поля противоположно направлению намагниченности образца. Причина, по которой локальное поле имеет столь большие отрицательное значение, пока не найдена.

Исследование свойств кристаллов. С помощью эффекта Мессбауэра по сдвигу линий в спектре можно определить неоднородности электрических полей вблизи ядер, обусловленные влиянием кристаллической решетки.

Исследование свойств ядер. Эффект Мессбауэра позволяет измерить магнитный момент ядра, находящегося в возбужденном состоянии, если известен его момент в основном состоянии. Такие данные необходимы для проверки теоретических моделей поведения возбужденных ядер.

Проверка закона сохранения четности. Если бы ядерные взаимодействия не обладали пространственной симметрией, то наблюдалась бы асимметрия в мессбауэровском спектре при зеемановском расщеплении уровней в случае испускания g-квантов параллельно и антипараллельно магнитному полю. Отсутствие такой асимметрии свидетельствует о том, что ядерные взаимодействия в высшей степени симметричны.

См. также

Атомного Ядра Строение;

Радиоактивность;

Зеемана Эффект.

ЛИТЕРАТУРА

Эффект Мессбауэра. М., 1962 Белозерский Г.Н. Мессбауэровская спектроскопия как метод исследования поверхностей. М., 1990