14.3. Открытие Мёссбауэра

В чем именно заключалась проблема и как она была решена Мёссбауэром, будет более очевидно, если обратиться к структуре ядра.

Среди множества теоретических построений привлекает к себе внимание стереотип модели атома Бора – «оболочечная» модель атомного ядра М. Гёпперт-Майер и Х. Йенсена, лауреатов Нобелевской премии по физике за 1963 г. Согласно этой модели, нуклоны в ядре располагаются на определенных энергетических уровнях, преимущественно парами с антипараллельными спинами (принцип Паули), а переходы между уровнями сопровождаются испусканием или поглощением гамма-квантов. В отличие от электронных уровней состояний атомов или молекул возбужденные состояния ядер живут недолго (порядка характерного «ядерного времени» ~10^–23 с), и, значит, неопределенность в энергии уровней должна быть очень большой в согласии с принципом неопределенности Гейзенберга.

Все это имело бы значение только для ядерной физики, но никак не для структурной органической химии, да, вероятно, и не для химии вообще, если бы не одно важное обстоятельство. А именно: существуют и долгоживущие возбужденные ядра, избыток энергии которых проявляется далеко не так быстро, как при обычных переходах нуклонов из одного состояния в другое. Такие ядра называют изомерами, они имеют те же зарядовые и массовые числа, но другую энергию и другое время жизни. Открыли ядерную изомерию О.Ган (1921) при изучении бета-распада тория-234 и И.В.Курчатов с сотрудниками Л.В.Мысовским и Л.И.Русиновым при наблюдении искусственной радиоактивности ядер брома (1935–1936). Теория ядерной изомерии была разработана К.Ф. фон Вейцзеккером в 1936 г.

Именно время жизни метастабильных состояний ядер (изомеров) играет ключевую роль в формировании фонендоскопических линий гамма-спектроскопии.

Согласно тому же принципу неопределенности Гейзенберга, неопределенность в энергии уровней, а значит, и естественная ширина спектральной линии должны быть исключительно малыми. В частности, простой подсчет на примере изотопа железа-57 показывает ничтожно малую величину, порядка 5–10^–9 эВ. Именно эта беспрецедентная узость спектральных линий стала причиной неудач всех работ до Мёссбауэра.

Ученый в своей знаменитой работе под названием «Резонансное поглощение -квантов в твердых телах без отдачи» так писал по этому поводу: «Гамма-кванты, испускаемые при переходе ядра из возбужденного состояния в основное, обычно не подходят для того, чтобы перевести то же самое ядро из основного состояния в возбужденное путем обратного процесса резонансного поглощения. Это является следствием потерь энергии на отдачу, которую -квант испытывает в процессе испускания или поглощения из-за того, что он передает импульс отдачи испускающему или поглощающему атому. Эти потери энергии на отдачу столь велики, что линии испускания и поглощения значительно сдвинуты относительно друг друга». В результате резонансное поглощение (или флуоресценция), как он отмечал, у икс-лучей обычно не наблюдается. Для того чтобы сделать резонансное поглощение гамма-квантов наблюдаемым, очевидно, надо искусственно создать такие условия, чтобы линии испускания и поглощения перекрылись.

Так, уже в 1951 г. П.Б.Мун из Бирмингемского университета (Англия) предложил компенсировать отдачу ядер при излучении путем механического перемещения источника при его движении навстречу ядрам приемника. При этом кинетическая энергия движения источника складывается с энергией гамма-кванта, и, следовательно, можно подобрать такую скорость, при которой полностью восстанавливается условие резонанса. Но несколькими годами позже Мёссбауэр для решения этой проблемы неожиданно нашел более простой способ, в котором потеря на отдачу с самого начала предотвращалась. Ученый добился флуоресценции гамма-лучей, используя в качестве их источника атомы радиоактивного изотопа металла иридия-191.

Иридий – кристаллическое твердое тело, так что излучающие и поглощающие атомы занимают фиксированное положение в кристаллической решетке. Охладив кристаллы жидким азотом, Мёссбауэр с удивлением обнаружил, что флуоресценция заметно увеличилась. Изучая это явление, он установил, что отдельные ядра, испускающие или поглощающие гамма-лучи, передают импульс взаимодействия непосредственно всему кристаллу. Поскольку кристалл по сравнению с ядром гораздо более массивен, то благодаря сильному взаимодействию атомов в твердых телах, энергия отдачи передается не отдельному ядру, а превращается в энергию колебаний кристаллической решетки, в результате у излучаемых и поглощаемых фотонов частотный сдвиг не наблюдается. В этом случае линии испускания и поглощения перекрываются, что и позволяет наблюдать резонансное поглощение гамма-квантов.

Это явление, которое Мёссбауэр назвал упругим ядерным резонансным поглощением гамма-излучения, ныне называется эффектом Мёссбауэра. Как и всякий эффект, возникающий в твердом теле, он зависит от кристаллической структуры вещества, температуры и даже присутствия мельчайших примесей. Ученый также показал, что подавление ядерной отдачи с помощью открытого им явления позволяет генерировать гамма-лучи, длина волны которых постоянна с точностью до одной миллиардной ( = 10^–9 см). На рис 14.1 представлена схема его экспериментальной установки.

В действительности полное описание эффекта Мёссбауэра требует привлечения знаний из различных разделов квантовой механики, поэтому в мы остановимся лишь на самых общих положениях его подхода.

Рис. 14.1 Установка для измерения резонансного поглощения при низких температурах, использованная Мёссбауэром в его первых экспериментах

В последующих экспериментах (вслед за иридием были изучены другие объекты: ¹⁸⁷Re, ¹⁷⁷Hf, ¹⁶⁶Er, ⁵⁷Fe и ⁶⁷Zn, в которых также наблюдалось резонансное поглощение без отдачи) Мёссбауэр окончательно подтвердил правильность объяснения наблюденного им эффекта резонансной гамма-флуоресценции без отдачи и в то же время дал основу экспериментальной методики всех последующих исследований этого явления.

Изучая смещения линий испускания и поглощения, можно получить крайне полезную информацию о строении твердых тел. Сдвиги могут быть измерены с помощью мёссбауэровских спектрометров (рис 14.2).

Рис 14.2 Упрощенная схема мёссбауэровского спектрометра

Эффекта Мессбауэра сразу же был применен для измерения ширины уровней и для проверки соотношения Г = / . Чтобы наблюдать резонансное поглощение мишенью из ⁵⁷Fе -квантов, испускаемых источником из ⁵⁷Fе, нужно скомпенсировать энергию отдачи ядра, которая в сумме составляет 2R. Если пренебречь естественной шириной уровня, то энергия испускаемых фотонов равна

= Е + R (14.1),

тогда как для того, чтобы наблюдался резонанс, они должны иметь энергию = Е + R. (14.2).

Один из способов такой компенсации состоит в том, что рассматриваемый радиоактивный источник закрепляют на движущемся устройстве и подбирают скорость так, чтобы разница 2R компенсировалась за счет эффекта Доплера. Для этого достаточно укрепить исследуемый источник на подвижной каретке и изменять ее скорость v так, чтобы за счет эффекта Доплера сдинуть линию резонансного поглощения в нужную сторону. Между детектором и источником помещают поглотитель того же изотопического состава, что и источник, как показано на рис1. В отсутствие отдачи резонансное поглощение должно происходить при v = 0. В этом случае число фотонов, регистрируемое детектором, будет минимально, так как фотоны, претерпевшие резонансное поглощение в поглотителе, затем повторно испускаются в разных направлениях и выбывают из прошедшего пучка. При изменении скорости v изменяется доплеровское смещение линии испускания относительно линии поглощения и в результате записывается контур линии, как показано на рис 14.3. Ширина ядерных уровней столь мала, что источник нужно перемещать со скоростью, составляющей всего лишь десятые доли сантиметра в секунду.

Рис 14.3 Измерение ширины линии испускания -квантов Г с помощью эффекта Мессбауэра