Предыстория вопроса

Идейные основы гамма-резонансной спектроскопии начали складываться давно, и на ее развитие, конечно, оказывали влияние фундаментальные представления оптической спектроскопии, в особенности успехи в области так называемой резонансной флуоресценции.

С 1850-х гг. было известно, что некоторые газы, жидкости и твердые тела (например, фтористые соединения) поглощают электромагнитное излучение (обычно видимый свет) и немедленно вновь его излучают (явление получило название флуоресценции). В специальном случае, известном как резонансная флуоресценция, поглощаемое и испускаемое излучения обладают одинаковыми энергией, длиной волны и частотой.

Первые предположения о существовании резонансного рассеяния в атомах появились в работах английского физика Дж.У.Рэлея, а первые эксперименты в этом направлении осуществил известный американский физик-экспериментатор Р.У. Вуд в 1902–1904 гг. Для объяснения резонансного рассеяния он применил механические аналогии.

Явление резонансной флуоресценции было хорошо объяснено пришедшей на смену старым представлениям теорией Н.Бора (квантовая модель атома). Атом, переходящий из возбужденного состояния В в основное состояние А, испускает фотон строго определенной частоты. Когда такой фотон проходит через газ, состоящий из тех же атомов, что и излучатель, он может поглотиться, вызвав переход одного из атомов мишени в состояние В. Через небольшой промежуток времени этот возбужденный атом мишени в свою очередь распадается, испуская фотон той же частоты. Таким образом, первичное и вторичное излучение имеют одинаковую частоту, однако процессы поглощения и последующего испускания фотона независимы, и между падающей и испускаемой волнами не существует определенного фазового соотношения.

Многие стороны явления резонансного излучения были правильно описаны на основе теории Бора и начавшей тогда развиваться квантовой механики. Полное описание процессов испускания, поглощения и резонансной флуоресценции было осуществлено несколько позднее, в конце 1920-х – начале 1930-х гг. немецкими физиками В.Ф.Вайскопфоми Ю.П.Вигнером.

Мысль о том, что энергетические уровни ядер подобны электронным уровням атомов и переходы между ними по постулату Бора сопровождаются излучением или поглощением, впервые прозвучала в работах английского физика Ч.Д.Эллиса в начале 1920-х гг. В конце 1920-х гг. поисками соответствующей ядерной резонансной флуоресценции занялся швейцарский фотохимик Вернер Кун, с 1927 г. работавший в Германии. Он показал, что явления атомной и ядерной резонансной флуоресценции кажутся чрезвычайно сходными, однако между ними есть существенные различия, делающие опыты на ядрах гораздо боле сложными.

В 1929г. В. Кун предположил возможность и осуществил попытку наблюдения резонансного поглощения гамма-лучей как аналога оптической флуоресценции в ядерной физике. Попытки обнаружения резонансного поглощения гамма-квантов в опытах с неподвижными источником и поглотителем излучения не увенчались успехом. Однако работа Куна ценна тем, что в ней этот швейцарский физико-химик постарался проанализировать причины своей неудачи, выделив три основных источника ослабления поглощения:

1. Тепловое уширение изначально узкой линии ядерного перехода.

2. Дополнительное уширение в связи с возможной отдачей при испускании β-частиц.

3. Существенное смещение линии из-за большой энергии отдачи при излучении гамма-фотонов с комментарием: « Третий вклад, уменьшающий поглощение, возникает в связи с процессом испускания гамма-луча. Излучающий атом будет испытывать отдачу, обусловленную испусканием гамма-луча. Длина волны излучения, таким образом, испытывает красное смещение; линия испускания смещается относительно линии поглощения… Возможно, поэтому, что из-за значительного гамма-смещения вся линия испускания покидает область линии поглощения…»

Кун здесь, правда, рассматривал только смещение и уширение линии испускания, не обращая внимания на эффект Доплера и отдачу ядра при поглощении гамма-фотона.

В результате лишь в 1950 г. ученым удалось наконец впервые осуществить успешный эксперимент на ядрах золота-198 и разобраться в тех препятствиях, которые существовали на этом пути. Окончательно эта проблема была решена лишь Мёссбауэром.

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. 14.1Установка 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