БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (МЕ)

Мёссба'уэр(Mössbauer) Рудольф Людвиг (р. 31.1.1929, Мюнхен), немецкий физик (ФРГ). Окончил Высшее техническое училище в Мюнхене (1955). В 1955—57 докторант при институте Макса Планка в Гейдельберге, в 1957—59 сотрудник Высшего технического училища в Мюнхене. С 1960 в Калифорнийском технологическом институте (с 1961 профессор). С 1965 профессор Технической высшей школы в Мюнхене. Работы в области ядерной физики и физики твёрдого тела. В 1958 открыл явление резонансного поглощения g-квантов атомными ядрами твёрдого тела, не сопровождающееся изменением внутренней энергии тела ( Мёссбауэра эффект ) . Нобелевская премия (1961).

Соч.: Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahiung in Ir 191, «Zeitschrift für Physik», 1958, Bd 151, Н. 2, S. 124—43; Kernresonanzabsorption von g-StrahIung in Ir 191, «Zeitschrift für Naturforschung», 1959, Bd 14 a, S. 211—16; в рус. пер. — Резонансное ядерное поглощение g-квантов в твердых телах без отдачи, «Успехи физических наук», 1960, т. 72, в. 4, с. 658—71.

Мёссба'уэра эффе'кт,резонансное поглощение g-квантов атомными ядрами, наблюдаемое, когда источник и поглотитель g-излучения — твёрдые тела, а энергия g-квантов невелика (~ 150 кэв ). Иногда М. э. называется резонансным поглощением без отдачи, или ядерным гамма-резонансом (ЯГР).

При облучении вещества g-квантами наряду с обычными процессами взаимодействия (см. Гамма-излучение ) возможно резонансное поглощение g-квантов ядрами, при котором g-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, 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 g-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 D E = р 2/2М = E 2/ 2Мс 2 . Т. о., часть энергии g-перехода трансформируется в кинетическую энергию ядра и энергия испущенного кванта меньше полной энергии g-перехода на величину D E . Такая же энергия D E передаётся свободному (покоящемуся) ядру и в процессе поглощения. Поэтому для достижения резонанса падающий на ядро g-квант должен иметь энергию на величину D E бо'льшую, чем энергия перехода. В результате линии испускания и поглощения оказываются смещенными друг относительно друга на величину 2D E = E 2 / Мс 2 ( рис. 2 ).

Величина D E составляет весьма небольшую долю от энергии перехода E , однако D E всегда значительно превосходит ширину линии излучения. Поэтому линии испускания и поглощения почти не перекрываются и вероятность резонансного поглощения g-квантов чрезвычайно мала. Например, для g-излучения 14,4 кэв (ядра 57Fe) D E » 2´10 -3 эв , тогда как естественная ширина линии G » 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 D E из-за отдачи практически не отличается от рассмотренного выше случая свободных и неподвижных ядер. Кроме того, ширины линий g-излучения обычно существенно превосходят естественные ширины G 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 g-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 g-кванта предшествует a- или b-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 g-переходов может происходить испускание и поглощение g-квантов без потери энергии на отдачу. В спектрах испускания и поглощения наблюдаются несмещенные линии с энергией, в точности равной энергии g-перехода, причём ширины этих линий равны (или весьма близки) естественной ширине G. В этом случае линии испускания и поглощения перекрываются, что позволяет наблюдать резонансное поглощение g-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, 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 g-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 g-перехода достаточно мала; практически М. э. наблюдается только при D E » 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 g-квантов и поглотитель до температуры жидкого азота или жидкого гелия, однако для g-переходов очень низких энергий (например, E = 14,4 кэв для g-перехода ядра 57Fe или 23,8 кэв для g-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.