Мессба́уэра эффе́кт испускание или поглощение γ-квантов атомными ядрами в твердом теле, обусловленное ядерными переходами, не сопровождающееся изменением колебательной энергии тела, то есть испусканием или поглощением фононов, без отдачи. Наблюдается, когда источник и поглотитель γ-излучения — твердые тела, а энергия γ−квантов невелика (~ 150 кэв). Иногда эффект Мессбауэра называется резонансным поглощением без отдачи, или ядерным гамма-резонансом (ЯГР). Открыт Р. Мессбауэром в 1958 г.
Таким ядерным переходам соответствуют линии испускания и поглощения γ-лучей, обладающие естественной шириной Г = h/t, где t — среднее время жизни возбужденного состояния ядра, участвующего в γ-переходе, и энергией Ео, равной энергии перехода. Явление ядерного γ-резонанса на атомных ядрах заключается в резком возрастании вероятности поглощения или рассеяния γ-квантов с энергией, соответствующей возбуждению ядерных переходов.
Ядра атомов, составляющих кристаллическую решетку, при определенных условиях могут излучать γ-кванты с энергией, равной энергии ядерного перехода из возбужденного состояние в основное, без потери энергии на отдачу и без передачи энергии колебаниям решетки. При облучении вещества γ-квантами наряду с обычными процессами взаимодействия возможно резонансное поглощение γ-квантов ядрами, при котором γ-квант исчезает, а ядро возбуждается, то есть переходит в состояние с большей внутренней энергией. При испускании или поглощении ядром γ-кванта система, содержащая это ядро, приобретает импульс отдачиp = Ео /c, где Ео — энергия γ-кванта, соответствующая данному квантовому переходу. Этому импульсу отдачи отвечает энергия ?Е = p2/2М, где М — масса системы. При этом энергия, переданная ядру, называемая энергией отдачи, будет обратно пропорциональна массе ядра-излучателя или ядра поглотителя. В случае передачи части энергии γ−кванта только ядру, в силу закона сохранения импульса, разрушаются резонансные условия.
В отличие от атомной резонансной флуоресценции, при которой потери энергии на отдачу атома пренебрежимо малы, в случае испускания и поглощения ядром свободного атома γ-квантов, энергия которых в десятки тысяч раз больше, смещение линий из-за потери на отдачу оказывается намного больше естественной ширины линий, обусловленной квантовой природой процесса излучения. В случае передачи энергии всему кристаллу, когда атом связан в кристаллической решетке, отдачу ядра при излучении и поглощении γ-кванта воспринимает кристалл как целое и, вследствие большой массы кристалла, энергия отдачи будет практически равна нулю. В этом случае под массой следует понимать массу всех ядер кристалла, энергия отдачи в этом случае оказывается значительно меньше, чем энергия отдачи отдельного ядра, и уже не препятствует осуществлению резонансных условий. Можно также сказать, что в этом случае при испускании или поглощении γ-кванта энергии отдачи недостаточно для разрыва химических связей в кристаллической решетке и поэтому эта энергия становится достоянием всей решетки как целого. А так как суммарная масса ядер кристалла велика по сравнению с массой одного ядра, отдачей в этом случае можно будет пренебречь. Именно такой резонанс и называется ядерным γ-резонансом без отдачи (ЯГР) или эффектом Мессбауэра.
Поэтому для достижения резонанса падающий на ядро γ-квант должен иметь энергию на величину ?Е большую, чем энергия перехода. В результате отдачи линии испускания и поглощения свободного и неподвижного ядра смещены в разные стороны от Еo на величину 2?Е = Еo2/Мс2и уширены. Всякий возбужденный уровень, кроме величины резонансной энергии Ep, характеризуется шириной линии ?Е.
Согласно соотношению неопределенности, энергия системы в возбужденном состоянии не может быть измерена точно, а только с неопределенностью, связанной со средней продолжительностью жизни возбужденного состояния
Мессбауэр определил условия (достаточно малая энергия перехода, соответствующая энергии γ-кванта и низкая температура по сравнению с дебаевской температурой кристалла), при которых импульс и энергия отдачи, возникающие при испускании (и поглощении) γ-кванта, передаются упругим образом всему кристаллу в целом. В этом случае энергия испускаемого и поглощаемого γ-кванта, соответствующего данному квантовому переходу, совпадают. В первых опытах Мессбауэр пользовался радиоактивным источником 191Ir, охлажденным до температуры жидкого азота (80К), и доля резонансных γ-квантов не превышала нескольких процентов.
Так как вероятность эффекта Мессбауэра сильно зависит от температуры, для его наблюдения часто 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 E = 23, 8 кэв для γ-перехода ядра 119Sn) эффект Мессбауэра можно наблюдать вплоть до температур, превышающих 1000 °С. При прочих равных условиях вероятность эффекта Мессбауэра тем больше, чем сильнее взаимодействие атомов в твердом теле, то есть чем больше энергия фононов. Поэтому вероятность эффекта Мессбауэра тем выше, чем больше температура Дебая кристалла.
На основе эффекта Мессбауэра разработан и широко применяется метод Мессбауэровской спектроскопии. Эффект Мессбауэра позволяет с высокой точностью регистрировать изменения энергий ядерных переходов под влиянием электрических и магнитных полей внутри кристалла. С его помощью было экспериментально доказано, что γ-излучение обладает гравитационной массой, и в лабораторных условиях были подтверждены выводы общей теории относительности
- Эффект Мессбауэра. М., 1962.
- Белозерский Г. Н. Мессбауэровская спектроскопия как метод исследования поверхностей. М., 1990.