- Мёссбауэра эффект
-
резонансное поглощение γ-квантов атомными ядрами, наблюдаемое, когда источник и поглотитель γ-излучения — твёрдые тела, а энергия γ-квантов невелика (Мёссбауэра эффект 150 кэв). Иногда М. э. называется резонансным поглощением без отдачи, или ядерным гамма-резонансом (ЯГР).При облучении вещества γ-квантами наряду с обычными процессами взаимодействия (см. Гамма-излучение) возможно резонансное поглощение γ-квантов ядрами, при котором γ-квант исчезает, а ядро возбуждается, т. е. переходит в состояние с большей внутренней энергией. Это явление аналогично резонансному поглощению световых квантов (Фотонов) атомами (см. Атом, Квантовая электроника). Необходимое условие резонансного поглощения состоит в том, чтобы энергия, которую квант расходует на возбуждение ядра, равнялась бы в точности энергии квантового перехода (См. Квантовые переходы), т. е. разности внутренних энергий ядра в возбуждённом и основном состояниях. На первый взгляд это условие автоматически удовлетворяется, когда излучающие и поглощающие ядра одинаковы (рис. 1). Однако γ-квант с энергией E обладает импульсом p = E/с (где с — скорость света, см. Корпускулярно-волновой дуализм), и по закону сохранения импульса при излучении или поглощении кванта ядром последнее испытывает отдачу. Излучающее ядро массы М, получив импульс приобретает кинетическую энергию ΔE = р2/2М = E2/2Мс2. Т. о., часть энергии γ-перехода трансформируется в кинетическую энергию ядра и энергия испущенного кванта меньше полной энергии γ-перехода на величину ΔE. Такая же энергия ΔE передаётся свободному (покоящемуся) ядру и в процессе поглощения. Поэтому для достижения резонанса падающий на ядро γ-квант должен иметь энергию на величину ΔE бо́льшую, чем энергия перехода. В результате линии испускания и поглощения оказываются смещенными друг относительно друга на величину 2ΔE = E2/Мс2 (рис. 2).Величина ΔE составляет весьма небольшую долю от энергии перехода E, однако ΔE всегда значительно превосходит ширину линии излучения. Поэтому линии испускания и поглощения почти не перекрываются и вероятность резонансного поглощения γ-квантов чрезвычайно мала. Например, для γ-излучения 14,4 кэв (ядра 57Fe) ΔE ≈ 2×10-3 эв, тогда как естественная ширина линии Γ ≈ 4,6×10-9 эв (см. Ширина спектральных линий).Обычно ядра входят в состав твёрдых тел или жидкостей, т. е. не являются свободными, однако в большинстве случаев потеря энергии ΔE из-за отдачи практически не отличается от рассмотренного выше случая свободных и неподвижных ядер. Кроме того, ширины линий γ-излучения обычно существенно превосходят естественные ширины Γ вследствие доплеровского уширения, возникающего при тепловом движении атомов (см. Доплера эффект). Однако при комнатной температуре перекрытие линий испускания и поглощения остаётся всё же незначительным. При наблюдении резонансного поглощения света атомами аналогичная трудность, как правило, не возникает: из-за малой энергии фотона энергия отдачи мала и смещения линий испускания и поглощения незначительны. Чтобы сделать резонансное поглощение γ-квантов наблюдаемым, приходится искусственно увеличивать перекрытие линий испускания и поглощения. Для этого используют сдвиг линий за счёт эффекта Доплера, при встречном движении излучающего и поглощающего ядер. В осуществленных экспериментах необходимая скорость движения (сотни м/сек) сообщалась одним из трёх способов: путём механического перемещения источника или поглотителя; за счёт отдачи, испытываемой ядром, если излучению γ-кванта предшествует α- или β-распад; за счёт нагревания источника и поглотителя до высокой температуры.В 1958 Р. Мёссбауэр обнаружил, что для ядер, входящих в состав твёрдых тел, при малых энергиях γ-переходов может происходить испускание и поглощение γ-квантов без потери энергии на отдачу. В спектрах испускания и поглощения наблюдаются несмещенные линии с энергией, в точности равной энергии γ-перехода, причём ширины этих линий равны (или весьма близки) естественной ширине Γ. В этом случае линии испускания и поглощения перекрываются, что позволяет наблюдать резонансное поглощение γ-квантов.Это явление, получившее наименование М. э., обусловлено коллективным характером движения атомов в твёрдом теле. Благодаря сильному взаимодействию атомов в твёрдых телах энергия отдачи передаётся не отдельному ядру, а превращается в энергию колебаний кристаллической решётки (См. Колебания кристаллической решётки), иными словами, отдача приводит к рождению Фононов. Но если энергия отдачи (рассчитанная на одно ядро) меньше средней энергии фонона, характерной для данного кристалла, то отдача не каждый раз будет приводить к рождению фонона. В таких «бесфононных» случаях отдача не изменяет внутренней энергии кристалла. Кинетическая же энергия, которую приобретает кристалл в целом, воспринимая импульс отдачи γ-кванта, пренебрежимо мала. Передача импульса в этом случае не будет сопровождаться передачей энергии, а поэтому положение линий испускания и поглощения будет точно соответствовать энергии E перехода.Вероятность такого процесса достигает нескольких десятков %, если энергия γ-перехода достаточно мала; практически М. э. наблюдается только при ΔE ≈ 150 кэв (с увеличением E вероятность рождения фононов при отдаче растет). Вероятность М. э. сильно зависит также от температуры. Часто для наблюдения М. э. необходимо охлаждать источник γ-квантов и поглотитель до температуры жидкого азота или жидкого гелия, однако для γ-переходов очень низких энергий (например, E = 14,4 кэв для γ-перехода ядра 57Fe или 23,8 кэв для γ-перехода ядра 119Sn) М. э. можно наблюдать вплоть до температур, превышающих 1000 °С. При прочих равных условиях вероятность М. э. тем больше, чем сильнее взаимодействие атомов в твёрдом теле, т. е. чем больше энергия фононов. Поэтому вероятность М. э. тем выше, чем больше Дебая температура кристалла.Существенным свойством резонансного поглощения без отдачи, превратившим М. э. из лабораторного эксперимента в важный метод исследования, является чрезвычайно малая ширина линии. Отношение ширины линии к энергии γ-кванта при М. э. составляет, например, для ядер 57Fe величину ≈3×10-13, а для ядер 67Zn ≈5,2×10-16. Такие ширины линий не достигнуты даже в газовом лазере (См. Газовый лазер), являющемся источником самых узких линий в инфракрасном и видимом диапазоне электромагнитных волн. С помощью М. э. оказалось возможным наблюдать процессы, в которых энергия γ-кванта на чрезвычайно малую величину (≈Γ или даже небольших долей Γ) отличается от энергии перехода ядер поглотителя. Такие изменения энергии приводят к смещению линий испускания и поглощения друг относительно друга, что влечёт за собой изменение величины резонансного поглощения, которое может быть измерено.Возможности методов, основанных на использовании М. э., хорошо иллюстрирует эксперимент, в котором удалось измерить в лабораторных условиях предсказанное относительности теорией (См. Относительности теория) изменение частоты кванта электромагнитного излучения в гравитационное поле Земли. В этом эксперименте (Р. Паунда и Г. Ребки, США, 1959) источник γ-излучения был расположен на высоте 22,5 м над поглотителем. Соответствующее изменение гравитационного потенциала должно было привести к относительному изменению энергии γ-кванта на величину 2,5×10-15. Сдвиг линий испускания и поглощения оказался в соответствии с теорией.Под влиянием внутренних электрических и магнитных полей, действующих на ядра атомов в твёрдых телах (см. Кристаллическое поле), а также под влиянием внешних факторов (давление, внешние магнитные поля) могут происходить смещения и расщепления уровней энергии ядра, а следовательно, изменения энергия перехода. Т. к. величины этих изменений связаны с микроскопической структурой твёрдых тел, изучение смещения линий испускания и поглощения даёт возможность получить информацию о строении твёрдых тел. Эти сдвиги могут быть измерены с помощью мёссбауэровских спектрометров (рис. 3). Если γ-кванты испускаются источником, движущимся со скоростью v относительно поглотителя, то в результате эффекта Доплера энергия γ-квантов, падающих на поглотитель, изменяется на величину Ev/c (для ядер, обычно применяемых при наблюдении М. э., изменение энергии E на величину Γ соответствует значениям скоростей v от 0,2 до 10 мм/сек). Измеряя зависимость величины резонансного поглощения от v (спектр мёссбауэровского резонансного поглощения), находят то значение скорости, при котором линии испускания и поглощения находятся в точном резонансе, т. е. когда поглощение максимально. По величине v определяют смещение ΔE между линиями испускания и поглощения для неподвижных источника и поглотителя.На рис. 4, а показан спектр поглощения, состоящий из одной линии: линии испускания и поглощения не смещены друг относительно друга, т. е. находятся в точном резонансе при v = 0. Форма наблюдаемой линии может быть с достаточной точностью описана лоренцовой кривой (или Брейта — Вигнера формулой) с шириной на половине высоты 2Γ. Такой спектр наблюдается только в том случае, когда вещества источника и поглотителя химически тождественны и когда на ядра атомов в этих веществах не действуют ни магнитное, ни неоднородное электрическое поля. В большинстве же случаев в спектрах наблюдаются несколько линий (сверхтонкая структура), обусловленных взаимодействием атомных ядер с внеядерными электрическими и магнитными полями. Характеристики сверхтонкой структуры зависят как от свойств ядер в основном и возбуждённом состояниях, так и от особенностей структуры твёрдых тел, в состав которых входят излучающие и поглощающие ядра.Важнейшими типами взаимодействий атомного ядра с внеядерными полями являются электрическое монопольное, электрическое квадрупольное и магнитное дипольное взаимодействия. Электрическое монопольное взаимодействие представляет собой взаимодействие ядра с электростатическим полем, создаваемым в области ядра окружающими его электронами; оно приводит к возникновению в спектре поглощения сдвига линии δ (рис. 4, б), если источник и поглотитель химически не тождественны или если распределение электрического заряда в ядре неодинаково в основном и возбуждённом состояниях (см. Изомерия атомных ядер). Этот т. н. изомерный или химический сдвиг пропорционален электронной плотности в области ядра, и его величина является важной характеристикой химической связи (См. Химическая связь) атомов в твёрдых телах (см. Кристаллохимия). По величине этого сдвига можно судить об ионном и ковалентном характере химической связи, об эффективных зарядах атомов в химических соединениях, об электроотрицательности атомов, входящих в состав молекул (См. Молекула), и т.д. Исследование химических сдвигов позволяет также получать сведения о распределении заряда в атомных ядрах.Электрическое квадрупольное взаимодействие — взаимодействие квадрупольного момента ядра (См. Квалрупольный момент ядра) с неоднородным электрическим полем приводит к расщеплению ядерных уровней, в результате чего в спектрах поглощения наблюдается не одна, а несколько линий. Например, для ядер 57Fe, 119Sn и 125Te в спектрах поглощения наблюдаются две линии (квадрупольный дублет, рис. 4, в). Разность энергии между компонентами дублета Δ пропорциональна произведению квадрупольного момента ядра на градиент электрического поля в области ядра. Т. к. величина градиента электрического поля является характеристикой симметрии зарядов, окружающих ядро в твёрдом теле, то исследование квадрупольного взаимодействия позволяет получить информацию об электронных конфигурациях атомов и ионов, об особенностях структуры твёрдых тел, а также о квадрупольных моментах атомных ядер.Магнитное дипольное сверхтонкое взаимодействие обычно наблюдается в магнитоупорядоченных (ферро-, антиферро-, ферримагнитных) веществах, в которых на ядра атомов действуют сильные магнитные поля Н, достигающие величины ≈106 э (см. Магнетизм, Ферромагнетизм и др.). Энергия магнитного дипольного взаимодействия пропорциональна произведению магнитного момента ядра на Н и зависит от ориентации магнитного поля. Поэтому магнитное дипольное взаимодействие приводит к расщеплению основного и возбуждённых уровней ядер, в результате чего в спектре поглощения наблюдаются несколько линий, число которых соответствует числу возможных γ-переходов между магнитными подуровнями основного и возбуждённых состояний (см. Зеемана эффект). Например, для ядра 57Fe число таких переходов равно 6 (рис. 4, г). По расстоянию между компонентами магнитной сверхтонкой структуры можно определить напряжённость магнитного поля, действующего на ядро в твёрдом теле. Величины этих полей очень чувствительны к особенностям электронной структуры твёрдого тела, к составу магнитных материалов, поэтому исследование магнитной сверхтонкой структуры широко используется для изучения магнитных свойств кристаллов.Важной для физики твёрдого тела характеристикой М. э. является также его вероятность. Измерение вероятности М. э. и её зависимости от температуры позволяет получить сведения об особенностях взаимодействия атомов в твёрдых телах и о колебаниях атомов в кристаллической решётке. Измерения, в которых используется М. э., отличаются высокой избирательностью, т.к. в каждом эксперименте резонансное поглощение наблюдается только для ядер одного сорта. Эта особенность метода позволяет эффективно использовать М. э. в тех случаях, когда атомы, на ядрах которых наблюдается М. э., входят в состав твёрдых тел в виде примесей. М. э. успешно используется для исследования электронных состояний примесных атомов в металлах (См. Металлы) и полупроводниках (См. Полупроводники) и для изучения особенностей колебаний примесных атомов в кристаллах.М. э. находит также применение в биологии (например, исследование электронной структуры Гемоглобина), в геологической разведке (экспресс-анализ руд), для целей химического анализа, для измерения скоростей и вибраций и т.п. М. э. наблюдался для 73 изотопов 41 элемента; самым лёгким среди них является 40K, самым тяжёлым — 243At.Лит.: Эффект Мессбауэра. Сб. ст., под ред. Ю. Кагана, М., 1962; Мёссбауэр Р., Эффект RK и его значение для точных измерений, в сборнике: Наука и человечество, М., 1962; Фрауэнфельдер Г., Эффект Мёссбауэра, пер. с англ., М., 1964; Вертхейм Г., Эффект Мёссбауэра, пер. с англ., М., 1966; Шпинель В. С., Резонанс гамма-лучей в кристаллах, М., 1969; Химические применения мессбауэровской спектроскопии, пер. с англ., под ред. В. И. Гольданского [и др.], М., 1970; Эффект Мессбауэра. Сб. переводов статей, под ред. Н. А. Бургова и В. В. Скляревского, пер. с англ., нем., М., 1969.Н. Н. Делягин.Рис. 1. Схематическое изображение процессов излучения и резонансного поглощения γ-квантов; излучающее и поглощающее ядра одинаковы, поэтому энергии их возбуждённых состояний E' и E " равны.Рис. 2. Смещение линий испускания и поглощения относительно энергии E γ-перехода; Г — ширины линий.Рис. 3. Упрощённая схема мёссбауэровского спектрометра; источник γ-квантов с помощью механического или электродинамического устройства приводится в возвратно-поступательное движение со скоростью v относительно поглотителя. С помощью детектора γ-излучения измеряется зависимость от скорости v интенсивности потока γ-квантов, прошедших через поглотитель.Рис. 4. Спектры мессбауэровского резонансного поглощения γ-квантов: I — интенсивность потока γ-квантов, прошедших через поглотитель, v — скорость движения источника γ-квантов; а — одиночные линии испускания и поглощения, не смещенные друг относительно друга при v = 0; б — изомерный или химический сдвиг линии. Сдвиг δ пропорционален электронной плотности в области ядра и меняется в зависимости от особенностей химической связи атомов в твёрдом теле; в — квадрупольный дублет, наблюдаемый для изотопов 57Fe, 119Sn, 125Te и др. Величина расщепления Δ пропорциональна градиенту электрического поля в области ядра: г — магнитная сверхтонкая структура, наблюдаемая в спектрах поглощения для магнитоупорядоченных материалов. Расстояние между компонентами структуры пропорционально напряжённости магнитного поля, действующего на ядра атомов в твёрдом теле.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.