МЁССБА́УЭРА ЭФФЕ́КТ

МЁССБА́УЭРА ЭФФЕ́КТ (ядер­ный гам­ма-ре­зо­нанс), ре­зо­нанс­ное ис­пус­ка­ние или по­гло­ще­ние $γ$-кван­тов яд­ра­ми силь­но свя­зан­ных ато­мов (в твёр­дом те­ле или вяз­кой жид­ко­сти) без по­те­ри энер­гии на от­да­чу яд­ра. От­крыт Р. Мёс­с­бау­эром в 1958.

Ре­зо­нанс­ное из­лу­че­ние $γ$-кван­тов воз­ни­ка­ет при пе­ре­хо­де ядер из воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ния (с боль­шей энер­ги­ей) в ос­нов­ное (с мень­шей энер­ги­ей), при­чём энер­гия $γ$-кван­та рав­на раз­но­сти энер­гий $E_0$ этих со­стоя­ний яд­ра; по­гло­ще­ние $γ$-кван­тов пе­ре­во­дит яд­ра в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние. Ка­ж­до­му из та­ких пе­ре­хо­дов со­от­вет­ст­ву­ет т. н. ло­рен­це­ва ли­ния в энер­ге­тич. спек­тре из­лу­че­ния или по­гло­ще­ния: центр ли­нии со­от­вет­ст­ву­ет зна­че­нию $E_0$, а ес­те­ст­вен­ная ши­ри­на ли­нии $Γ$ (на­блю­дае­мая без до­пол­нит. воз­дей­ст­вий на яд­ро) об­рат­но про­пор­цио­наль­на ср. вре­ме­ни жиз­ни $τ$ воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ния яд­ра.

Гам­ма-кван­ты, ис­пус­кае­мые или по­гло­щае­мые сво­бод­ным и не­под­виж­ным ядром, те­ря­ют часть энер­гии $R$ на от­дачу яд­ра (т. е. на из­ме­не­ние его ки­не­тич. энер­гии). Эта ве­ли­чи­на рав­на $R=E^2/(2Mc^2)$, где $M$ – мас­са яд­ра, $E$ – энер­гия $γ$-кван­та, $c$ – ско­рость све­та. Для ядер­ных пе­ре­хо­дов $Γ≪R$, так что ли­нии ис­пус­ка­ния и по­гло­ще­ния, сме­щён­ные друг от­но­си­тель­но дру­га на ве­ли­чи­ну $2R$, прак­ти­че­ски не пе­ре­кры­ва­ют­ся. Т. о., ве­ро­ят­ность ре­зо­нанс­но­го по­гло­ще­ния ис­пу­щен­но­го $γ$-кван­та та­ким же яд­ром чрез­вы­чай­но ма­ла. Од­на­ко в ре­аль­ных ве­ще­ст­вах про­ис­хо­дит уши­ре­ние ли­ний ис­пус­ка­ния и по­гло­ще­ния на ве­ли­чи­ну $Δ$ за счёт те­п­ло­во­го дви­же­ния ча­стиц: $Δ=2\sqrt{RkT}$, где $kT$ – ср. энер­гия фо­но­нов в твёр­дых те­лах и те­п­ло­вых воз­бу­ж­де­ний в жид­ко­стях ($k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на, $T$ – аб­со­лют­ная темп-ра). Для ве­ли­чи­ны $Δ$ вы­пол­ня­ет­ся со­от­но­ше­ние $Γ≪Δ≪R$, по­это­му пе­рекры­тие ли­ний ис­пус­ка­ния и по­гло­ще­ния ос­та­ёт­ся не­зна­чи­тель­ным. Воз­мож­но ис­кусств. уве­ли­че­ние пе­ре­кры­тия ли­ний, воз­ни­каю­щее при на­гре­ве ис­точ­ни­ка и по­гло­ти­те­ля $γ$-кван­тов или сдви­ге спек­траль­ных ли­ний за счёт До­п­ле­ра эф­фек­та. В по­след­нем слу­чае реа­ли­зу­ет­ся встреч­ное дви­же­ние из­лу­чаю­щих и по­гло­щаю­щих ядер с от­но­сит. ско­ро­стя­ми в сот­ни м/с. При про­ве­де­нии по­доб­ных экс­пе­ри­мен­тов Р. Мёс­сбау­эр об­на­ру­жил, что в твёр­дом те­ле, яд­ра ко­то­ро­го име­ют $γ$-пе­ре­хо­ды с низ­ким зна­че­ни­ем $E_0$, в спек­трах ис­пус­ка­ния и по­гло­ще­ния на­блю­да­ют­ся не­сме­щён­ные уз­кие ли­нии с энер­ги­ей $E_0$ и ши­ри­ной, близ­кой к $Γ$ , при­чём ин­тен­сив­ность этих ли­ний уве­ли­чи­ва­ет­ся с по­ни­же­ни­ем темп-ры. В 1960-х гг. та­кое яв­ле­ние об­на­ру­же­но и в вяз­ких жид­ко­стях.

Это яв­ле­ние, по­лу­чив­шее назв. М. э., обу­слов­ле­но силь­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем ато­мов, бла­го­да­ря ко­то­ро­му энер­гия от­да­чи при ис­пус­ка­нии или по­гло­ще­нии $γ$-кван­та пе­ре­да­ёт­ся не отд. яд­ру, а всей кри­стал­лич. ре­шёт­ке, т. е. про­ис­хо­дит ис­пус­ка­ние или по­гло­ще­ние фо­но­нов (или воз­бу­ж­де­ние мо­ле­кул жид­ко­сти). В сред­нем один ис­пу­щен­ный $γ$-квант пе­ре­да­ёт кри­стал­лу энер­гию, рав­ную $R$. Од­на­ко сам про­цесс взаи­мо­дей­ст­вия $γ$-кван­та с яд­ром при­об­ре­та­ет ве­ро­ят­но­ст­ный ха­рак­тер: на­ря­ду с ис­пус­ка­ни­ем или по­гло­ще­ни­ем $γ$-кван­тов, со­про­во­ж­даю­щим­ся воз­бу­ж­де­ни­ем (при $E{<}E_0$) или по­гло­ще­ни­ем (при $E{>}E_0$) фо­но­нов, по­яв­ля­ет­ся ве­ро­ят­ность бес­фо­нон­ных про­цес­сов (при $E=E_0$). Ве­ро­ят­ность по­след­не­го про­цес­са (М. э.) ста­но­вит­ся до­воль­но боль­шой, ко­гда энер­гия от­да­чи мень­ше ср. энер­гии фо­но­нов, ха­рак­тер­ной для дан­но­го кри­стал­ла. То­гда от­да­ча не из­ме­ня­ет внутр. энер­гию кри­стал­ла, а ки­не­тич. энер­гия, ко­то­рую при­об­ре­та­ет кри­сталл в це­лом, пре­неб­ре­жи­мо ма­ла. В этом слу­чае по­ло­же­ние ли­ний ис­пус­ка­ния в спек­тре бу­дет точ­но со­от­вет­ство­вать энер­гии пе­ре­хо­да $E_0$. Ве­ро­ят­ность М. э. (и, со­от­вет­ст­вен­но, ин­тен­сив­ность не­сме­щён­ной ли­нии) тем боль­ше, чем боль­ше ха­рак­тер­ная энер­гия фо­но­нов (или темп-ра Де­бая), и рас­тёт с по­ни­же­ни­ем темп-ры.

М. э. по­зво­ля­ет про­во­дить из­ме­ре­ния спек­тров ис­пус­ка­ния, по­гло­ще­ния и ре­зо­нанс­но­го рас­сея­ния $γ$-кван­тов с ре­корд­ным раз­ре­ше­ни­ем $Γ=10^{–5}–10^{–10}$ эВ для воз­бу­ж­дён­ных уров­ней ядер с $E_0<200$ кэВ и $τ=10^{–5}–10^{–11}$ с. Чрез­вы­чай­но ма­лая ши­ри­на не­сме­щён­ной ли­нии по­зво­ля­ет лег­ко на­ру­шить ус­ло­вие ре­зо­нан­са пу­тём реа­ли­за­ции не­боль­ших (по­ряд­ка 1 мм/с) ско­ро­стей от­но­сит. дви­же­ния ис­точ­ни­ка и по­гло­ти­те­ля, бла­го­да­ря че­му М. э. до­воль­но бы­ст­ро пре­вра­тил­ся из ла­бо­ра­тор­но­го экс­пе­ри­мен­та в мощ­ный ме­тод ис­сле­до­ва­ния ма­те­риа­лов (см. Мёс­сбау­эров­ская спек­тро­ско­пия). На нач. 21 в. М. э. на­блю­дал­ся для бо­лее чем 100 нук­ли­дов и 120 воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ний ядер. Из­ме­ре­ния мёс­сбау­эров­ских спек­тров по­зво­ля­ют с вы­со­кой точ­но­стью де­тек­ти­ро­вать сдви­ги и рас­ще­п­ле­ния спек­траль­ных ли­ний, обу­слов­лен­ные взаи­мо­дей­ст­ви­ем яд­ра с внутр. элек­трич. и маг­нит­ны­ми по­ля­ми, обес­пе­чи­вая по­лу­че­ние ин­фор­ма­ции о струк­ту­ре, со­ста­ве, хи­мич. свя­зях, маг­нит­ных и тер­мо­ди­на­мич. свой­ст­вах ма­те­риа­ла, со­дер­жа­ще­го ре­зо­нанс­ный нук­лид. Бла­го­да­ря это­му М. э. ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в ка­че­ст­ве ме­то­да ис­сле­до­ва­ния твёр­дых тел и вяз­ких жид­ко­стей в разл. об­лас­тях нау­ки и тех­ни­ки.