Эффект мессбауэра. Резонансное поглощение Резонансное поглощение

Резонансное возбуждение атомных уровней фотонами от источника из того же вещества легко наблюдается. Иначе обстоит дело для атомных ядер. Это связано главным образом с тем, что естественная ширина Г ядерных уровней мала по сравнению с энергией отдачи R ядра-излучателя (источника) или ядра-поглотителя (мишени). Например, естественная ширина Г первого возбужденного уровня ядра 57 Fе, расположенного при энергии возбуждения E = 14.4 кэВ, равна /τ = 4.6·10 -9 эВ (измеренное среднее время жизни τ = 98 нc), тогда как при испускании и при поглощении -квантов это ядро приобретает энергию отдачи T R ~ Е 2 /2Мс 2 ~ 0.02 эВ (где М - масса атома 57 Fе).
Резонансное поглощение может иметь место только в том случае, когда энергия отдачи ядра R меньше ширины ядерного уровня Г. Мессбауэр исследуя явление резонансного поглощения γ-квантов понизил температуру источника и обнаружил, что число поглощенных фотонов существенно увеличилось, то есть наблюдалось резонансное поглощение γ-квантов. Качественно это можно объяснить тем, что в этом случае импульс отдачи получало не отдельное ядро, а весь кристалл, в котором находились ядра, испускающие γ-кванты. При переходе от свободных атомов к атомам связанных в кристаллической решетке ситуация меняется. С уменьшением температуры источника увеличивается относительное число ядерных переходов с передачей импульса отдачи всему кристаллу. Условия для этого тем благоприятнее, чем ниже температура кристалла и энергия перехода E γ .
Отмеченное явление, получившее название эффекта Мессбауэра, сразу же было применено для измерения ширины уровней и для проверки соотношения Г = /τ. Чтобы наблюдать резонансное поглощение мишенью из 57 Fе γ-квантов, испускаемых источником из 57 Fе, нужно скомпенсировать энергию отдачи ядра, которая в сумме составляет 2T R . Если пренебречь естественной шириной уровня, то энергия испускаемых фотонов равна E γ = Е - T R , тогда как для того, чтобы наблюдался резонанс, они должны иметь энергию E γ = Е + T R . Один из способов такой компенсации состоит в том, что рассматриваемый радиоактивный источник закрепляют на движущемся устройстве и подбирают скорость так, чтобы разница 2T R 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 рис.1. 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. 2. Ширина ядерных уровней столь мала, что источник нужно перемещать со скоростью, составляющей всего лишь десятые доли сантиметра в секунду.

РЕЗОНАНСНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ

поглощение фотонов частоты v = (Е n - E 0)/h, где Е п и Е 0 - энергии возбуждённого и основного состояний поглощающей системы (напр., атома), h - Планка постоянная . Р. п. наблюдается и в ядерной физике (см. Мёссбауэра эффект).

Большой энциклопедический политехнический словарь . 2004 .

Смотреть что такое "РЕЗОНАНСНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ" в других словарях:

резонансное поглощение - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN resonance absorption …

резонансное поглощение - rezonansinė sugertis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinių bangų, kurių dažnis lygus (arba beveik lygus) medžiagos ar terpės atomų elektronų, molekulių atomų, branduolių nukleonų savųjų virpesių dažniui,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

резонансное поглощение - rezonansinė sugertis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. resonance absorption; resonant absorption vok. Resonanzabsorption, f rus. резонансное поглощение, n pranc. absorption par résonance, f; absorption résonante, f … Fizikos terminų žodynas

Избирательное поглощение g квантов атомными ядрами, обусловленное квантовыми переходами ядер в возбуждённое состояние. При облучении в ва g квантами наряду с обычными процессами вз ствия с в вом (см. ГАММА ИЗЛУЧЕНИЕ) возможно Р. п. г. и., когда g … Физическая энциклопедия

резонансное поглощение гамма-излучения - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN resonance gamma absorption … Справочник технического переводчика

резонансное поглощение нейтронов - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN neutron resonance absorptionresonance neutron absorption … Справочник технического переводчика

резонансное поглощение излучения газом - Поглощение излучения невозбужденными атомами газа (т. е. находящимися в нормальном состоянии), при котором фотоны поглощаются полностью, а атомы переходят в возбужденное состояние … Политехнический терминологический толковый словарь

спин-резонансное поглощение - sukininė rezonansinė sugertis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. spin resonance absorption vok. Spinresonanzabsorption, f rus. спин резонансное поглощение, n pranc. absorption par résonance de spin, f … Fizikos terminų žodynas

Превращение энергии эл. магн. волны радиодиапазона при распространениив среде в др. виды энергии. Различают нерезонансное и резонансное П. р … Физическая энциклопедия

Резонансное поглощение γ квантов атомными ядрами, наблюдаемое, когда источник и поглотитель γ излучения твёрдые тела, а энергия γ квантов невелика (Мёссбауэра эффект 150 кэв). Иногда М. э. называется резонансным поглощением без отдачи,… … Большая советская энциклопедия

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 Мёссбауэра эффект называется резонансным поглощением без отдачи, или ядерным гамма-резонансом (ЯГР).

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 Мёссбауэра эффекта, 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 Мёссбауэра эффект наблюдается только при D E » 150 кэв (с увеличением E вероятность рождения фононов при отдаче растет). Вероятность Мёссбауэра эффекта сильно зависит также от температуры . Часто для наблюдения Мёссбауэра эффекта 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 57 Fe или 23,8 кэв для g -перехода ядра 119 Sn) Мёссбауэра эффект можно наблюдать вплоть до температур , превышающих 1000 °С. При прочих равных условиях вероятность Мёссбауэра эффекта тем больше, чем сильнее взаимодействие атомов в твёрдом теле, т. е. чем больше энергия фононов. Поэтому вероятность Мёссбауэра эффекта тем выше, чем больше Дебая температура кристалла .

Существенным свойством резонансного поглощения без отдачи, превратившим Мёссбауэра эффект из лабораторного эксперимента в важный метод исследования, является чрезвычайно малая ширина линии. Отношение ширины линии к энергии g -кванта при Мёссбауэра эффекта составляет, например, для ядер 57 Fe величину » 3´ 10 -13 , а для ядер 67 Zn » 5,2´ 10 -16 . Такие ширины линий не достигнуты даже в газовом лазере , являющемся источником самых узких линий в инфракрасном и видимом диапазоне электромагнитных волн. С помощью Мёссбауэра эффекта оказалось возможным наблюдать процессы, в которых энергия g -кванта на чрезвычайно малую величину (»G или даже небольших долей G ) отличается от энергии перехода ядер поглотителя. Такие изменения энергии приводят к смещению линий испускания и поглощения друг относительно друга, что влечёт за собой изменение величины резонансного поглощения, которое может быть измерено.

Возможности методов, основанных на использовании Мёссбауэра эффекта, хорошо иллюстрирует эксперимент, в котором удалось измерить в лабораторных условиях предсказанное относительности теорией изменение частоты кванта электромагнитного излучения в гравитационное поле Земли. В этом эксперименте (Р. Паунда и Г. Ребки, США, 1959) источник g -излучения был расположен на высоте 22,5 м над поглотителем. Соответствующее изменение гравитационного потенциала должно было привести к относительному изменению энергии g -кванта на величину 2,5´ 10 -15 . Сдвиг линий испускания и поглощения оказался в соответствии с теорией.

Под влиянием внутренних электрических и магнитных полей, действующих на ядра атомов в твёрдых телах (см. Кристаллическое поле), а также под влиянием внешних факторов (давление , внешние магнитные поля) могут происходить смещения и расщепления уровней энергии ядра, а следовательно, изменения энергия перехода. Т. к. величины этих изменений связаны с микроскопической структурой твёрдых тел, изучение смещения линий испускания и поглощения даёт возможность получить информацию о строении твёрдых тел. Эти сдвиги могут быть измерены с помощью мёссбауэровских спектрометров (рис. 3 ). Если g -кванты испускаются источником, движущимся со скоростью v относительно поглотителя, то в результате эффекта Доплера энергия g -квантов, падающих на поглотитель, изменяется на величину Ev/c (для ядер, обычно применяемых при наблюдении Мёссбауэра эффекта, изменение энергии E на величину G соответствует значениям скоростей v от 0,2 до 10 мм/сек). Измеряя зависимость величины резонансного поглощения от v (спектр мёссбауэровского резонансного поглощения), находят то значение скорости, при котором линии испускания и поглощения находятся в точном резонансе, т. е. когда поглощение максимально. По величине v определяют смещение D E между линиями испускания и поглощения для неподвижных источника и поглотителя.

На рис. 4 , а показан спектр поглощения, состоящий из одной линии: линии испускания и поглощения не смещены друг относительно друга, т. е. находятся в точном резонансе при v = 0. Форма наблюдаемой линии может быть с достаточной точностью описана лоренцовой кривой (или Брейта - Вигнера формулой) с шириной на половине высоты 2G . Такой спектр наблюдается только в том случае, когда вещества источника и поглотителя химически тождественны и когда на ядра атомов в этих веществах не действуют ни магнитное, ни неоднородное электрическое поля. В большинстве же случаев в спектрах наблюдаются несколько линий (сверхтонкая структура), обусловленных взаимодействием атомных ядер с внеядерными электрическими и магнитными полями. Характеристики сверхтонкой структуры зависят как от свойств ядер в основном и возбуждённом состояниях, так и от особенностей структуры твёрдых тел, в состав которых входят излучающие и поглощающие ядра.

Важнейшими типами взаимодействий атомного ядра с внеядерными полями являются электрическое монопольное, электрическое квадрупольное и магнитное дипольное взаимодействия. Электрическое монопольное взаимодействие представляет собой взаимодействие ядра с электростатическим полем, создаваемым в области ядра окружающими его электронами ; оно приводит к возникновению в спектре поглощения сдвига линии d (рис. 4 , б), если источник и поглотитель химически не тождественны или если распределение электрического заряда в ядре неодинаково в основном и возбуждённом состояниях (см. Изомерия атомных ядер). Этот т. н. изомерный или химический сдвиг пропорционален электронной плотности в области ядра, и его величина является важной характеристикой химической связи атомов в твёрдых телах (см. Кристаллохимия). По величине этого сдвига можно судить об ионном и ковалентном характере химической связи , об эффективных зарядах атомов в химических соединениях , об электроотрицательности атомов , входящих в состав молекул , и т.д. Исследование химических сдвигов позволяет также получать сведения о распределении заряда в атомных ядрах .

Важной для физики твёрдого тела характеристикой Мёссбауэра эффекта является также его вероятность. Измерение вероятности Мёссбауэра эффекта и её зависимости от температуры позволяет получить сведения об особенностях взаимодействия атомов в твёрдых телах и о колебаниях атомов в кристаллической решётке. Измерения, в которых используется Мёссбауэра эффект, отличаются высокой избирательностью, т.к. в каждом эксперименте резонансное поглощение наблюдается только для ядер одного сорта . Эта особенность метода позволяет эффективно использовать Мёссбауэра эффект в тех случаях, когда атомы , на ядрах которых наблюдается Мёссбауэра эффект, входят в состав твёрдых тел в виде примесей. Мёссбауэра эффект успешно используется для исследования электронных состояний примесных изотопов 41 элемента; самым лёгким среди них является 40 K, самым тяжёлым - 243 At.

Лит.: Эффект Мессбауэра. Сб. ст., под ред. Ю. Кагана, М., 1962; Мёссбауэр Р., Эффект RK и его значение для точных измерений, в сборнике: Наука и человечество, М., 1962; Фрауэнфельдер Г., Эффект Мёссбауэра, пер. с англ., М., 1964; Вертхейм Г., Эффект Мёссбауэра, пер. с англ., М., 1966; Шпинель В. С., Резонанс гамма-лучей в кристаллах , М., 1969; Химические применения мессбауэровской спектроскопии , пер. с англ., под ред. В. И. Гольданского [и др.], М., 1970; Эффект Мессбауэра. Сб. переводов статей, под ред. Н. А. Бургова и В. В. Скляревского, пер. с англ., нем., М., 1969.

Н. Н. Делягин.

Рис. 3. Упрощённая схема мёссбауэровского спектрометра; источник g -квантов с помощью механического или электродинамического устройства приводится в возвратно-поступательное движение со скоростью v относительно поглотителя. С помощью детектора g -излучения измеряется зависимость от скорости v интенсивности потока g -квантов, прошедших через поглотитель.

Рис. 4. Спектры мессбауэровского резонансного поглощения g -квантов: I - интенсивность потока g -квантов, прошедших через поглотитель, v - скорость движения источника g -квантов; а - одиночные линии испускания и поглощения, не смещенные друг относительно друга при v = 0; б - изомерный или химический сдвиг линии. Сдвиг d пропорционален электронной плотности в области ядра и меняется в зависимости от особенностей химической связи атомов в твёрдом теле; в - квадрупольный дублет, наблюдаемый для изотопов 57 Fe, 119 Sn, 125 Te и др. Величина расщепления D пропорциональна градиенту электрического поля в области ядра: г - магнитная сверхтонкая структура, наблюдаемая в спектрах поглощения для магнитоупорядоченных материалов. Расстояние между компонентами структуры пропорционально напряжённости магнитного поля, действующего на ядра атомов в твёрдом теле.

Рис. 1. Схематическое изображение процессов излучения и резонансного поглощения g -квантов; излучающее и поглощающее ядра одинаковы, поэтому энергии их возбуждённых состояний E" и E"" равны.

Рис. 2. Смещение линий испускания и поглощения относительно энергии E g -перехода; Г - ширины линий.

Предположим, имеются два образца (условно будем считать первый источником-излучателем, а второй - приемником-поглотителем излучения) с одинаковыми атомами (и ядрами) в их составе. Это значит, что положение уровней энергии основного Е осн и возбужденного Е юз6 состояний в них одинаково. Предположим также, что имеется способ инициировать возбужденное состояние ядер в первом образце, т.е. сделать его источником испускаемых квантов (электромагнитных волн) из-за соответствующих энергетических переходов. Спектральная линия источника с энергией излучения Е тзб - Е жн = АЕ на частотной

шкале будет находиться при частоте . Можно оценить

естественную ширину Г этой спектральной линии (т.е. минимальную ширину, которая определяется соотношением неопределенностей (см. подраздел 8.2) и не зависит от экспериментальной аппаратуры). Используем для этой оценки соотношение (8.6) и получим

где за Г принята величина, соответствующая ширине идеальной спектральной линии на половине ее высоты, at - характерное время жизни ядра в возбужденном состоянии.

Отношение естественной ширины спектральной линии к значению энергии перехода (для резонансного перехода Со 57 -» Fe 57 , например) составляет:

Отсюда видно, что в относительном представлении такая спектральная линия очень узка.

Если теперь направить это излучение на второй, аналогичный первому, образец, то в силу выполнения резонансных условий в нем должно было бы произойти обратное явление, т.е. резонансное поглощение. Действительно, энергия испущенных у-квантов в точности соответствует разнице в энергиях? |ин6 - Е осн. Однако есть, по крайней мере, два фактора, расстраивающих такой резонанс. Первым фактором является отдача, которую испытывает ядро при испускании у-кванта. Определим величину энергии R отдачи.

В модели покоящихся свободных ядер закон сохранения импульса требует, чтобы импульс ядра, находящегося в возбужденном состоянии, до энергетического перехода равный нулю, был бы равен суммарному импульсу ядра и кванта излучения после испускания, т.е. р., = р я (импульс кванта равен p. t =E. f /c, где Е у - энергия кванта; с - скорость света). Поэтому

Величина R, как правило, на несколько порядков больше Г для всех пригодных для наблюдения резонансного эффекта ядер (в случае рассмотренного ранее примера R/Г ~ 10 5). Для сравнения отметим, что в случае оптических электронных переходов с энергиями ~1-10 эВ, при сравнимой по порядку с ядерным случаем величине естественной ширины Г ~ 10 -8 эВ, энергия отдачи атомной системы составляет R ~ 10 -9 -10 -11 эВ, т.е. пренебрежимо малую (по сравнению с естественной шириной) величину R/T 10 -1 , что позволяет исключить из рассмотрения описываемые ниже эффекты.

Из-за наличия отдачи в случае ядерных энергетических переходов спектральная линия испускания свободного ядра сместится по шкале энергий на величину энергии R отдачи в сторону ее уменьшения. Само по себе это смещение мало, особенно по сравнению с энергией кванта (10 4 эВ), однако, оно велико по сравнению с естественной шириной спектральной линии (10 -8 эВ). Аналогично сместится также спектральная линия поглощения (потому что и здесь надо учитывать энергию отдачи поглощающего ядра), но в сторону больших энергий (отдача «наоборот», т.е. с отрицательным знаком). Линии, естественная ширина которых ~Ю -8 эВ, разойдутся на величину 2R = 10 _3 эВ (рис. 9.10). Таким образом, оказывается, что в рассматриваемых условиях практически нет перекрытия спектральных линий (условие резонанса не соблюдается), а следовательно, нет и резонансного поглощения.

Рис. 9.10.

Вторым, мешающим наблюдению резонанса фактором является тепловое движение атомов. Различные ядра могут испускать у-кванты, находясь в беспорядочном тепловом движении. При этом в результате хаотического проявления допплер-эффекта (см. подразделы 1.5.2.2 и 2.8.4) произойдет уширение линий испускания и поглощения (до ширины, обозначенной на рис. 9.10, как D), причем при комнатной температуре это уширение много больше естественной ширины линий (узкие линии на рис. 9.10). В результате только «хвосты» спектральных линий могут частично перекрываться (выделенные пунктиром области на рис. 9.10), и поглощение составит ничтожную величину от ожидаемого эффекта.

Совсем иная картина будет наблюдаться, если внедрить ядра- источники и ядра-поглотители в твердое тело, например, в кристаллическую решетку. В этом случае при анализе нужно рассматривать в качестве замкнутой системы весь кристалл в целом. Теория эффекта (при энергиях у-квантов меньших, чем энергия связи атомов в кристалле) показывает, что при испускании одним из ядер у-кванта могут быть реализованы две возможности. Первой возможностью является создание в кристалле упругой волны, коллективного возбуждения - фонона (см. подраздел 2.9.5 и далее 10.3.1), который унесет с собой избыток энергии у-кванта. Это рассеянный «нерезонансный» квант. Другой возможностью может быть испускание у-кванта, когда энергия отдачи передается всему кристаллу целиком (поглощение без возбуждения фононов). При этом в формулу (9.58) для энергии отдачи вместо массы ядра т я, испустившего у-квант, теперь следует подставить макроскопическую массу (М» т я) кристалла, тогда отдача станет практически равной нулю, а энергия у-кванта - равной разности энергий

Евозб - ?осн. Так как рассматривается излучение ядра, непосредственно закрепленного в кристалле, доплеровское уширение за счет теплового движения также мало по сравнению со свободными ядрами. В результате линии испускания и поглощения сузятся до почти естественной ширины, площади их перекроются (максимумы совместятся) - наступит резонанс.

Явление резонансного поглощения у-кванта в твердом теле было впервые обнаружено немецким физиком Р. Мессбауэром в 1958 г., и сам эффект носит его имя. Эффект заключается в испускании и резонансном поглощении у-лучей без отдачи. Соответственно теории, разработанной Лэмбом и Мессбауэром, отношение числа резонансно испущенных (или поглощенных) гамма квантов к их общему числу, называемое вероятностью эффекта Мессбауэра (или фактором Дебая - Валлера), определяется как

где - средний квадрат смещения ядер из положения равновесия при тепловых колебаниях атомов (в направлении вылета квантов - вдоль оси Ох);

Длина волны испущенного (поглощенного) кванта.

То есть вероятность/" прямо (экспоненциально) связана с подвижностью атомов в кристалле.

Как можно наблюдать резонансное поглощение у-лучей в эксперименте? Поясним это с использованием схемы, представленной на рис. 9.11.

Рис. 9.11.

Допустим, что вещества источника излучения и поглотителя одинаковы (одинаковы их электронно-ядерные системы) и находятся в одинаковых внешних условиях. Максимальная величина резонансного поглощения должна наблюдаться, когда источник излучения покоится относительно поглотителя (скорость относительного перемещения и = 0). При движении, например, источника относительно поглотителя это резонансное поглощение может быть легко расстроено путем изменения энергии излучения за счет доплер-эффекта, для этого нужны весьма малые скорости, поскольку необходимо «раздвинуть» линии излучения и поглощения на малую величину энергии, равную нескольким Г, а не R.

Из условия можно оценить скорость относительного движения источника и поглотителя, способную разрушить резонанс. Получаются поразительные цифры (от долей мм/с до см/с) и вывод: несмотря на то, что у-кванты распространяются со скоростью света, относительное движение с небольшой скоростью расстраивает резонанс!

Измеряя интенсивность прошедшего через поглотитель излучения в зависимости от скорости движения источника относительно поглотителя, получают абсорбционный мессбауэровский или гамма- резонансный спектр (спектр поглощения - рис. 9.12).

Рис. 9.12. Экспериментальный гамма-резонансный (мессбауэровский) спектр поглощения антиферромагнетика FeF 3 , отснятый при 4 К

Все другие процессы взаимодействия у-излучения с веществом, которые сопутствуют рассмотренным, но не носят резонансный характер, т.е. не зависят от относительной скорости движения источника излучения и поглотителя, не искажают спектральной картины и непосредственно не проявляются в мессбауэровском спектре.

Возможны также и другие экспериментальные методики, основанные на эффекте Мессбауэра, в частности, использующие в качестве исследуемого вещества сам источник излучения, содержащий радиоактивные ядра, а в качестве поглотителя - какое-либо стандартное вещество. Этот вариант спектроскопии называется эмиссионным, а также опыты с рассеянным резонансным излучением и др.

Химические применения эффекта Мессбауэра и базирующейся на нем гамма-резонансной спектроскопии рассмотрены в подразделе

Пусть на слой вещества падает стационарный поток нейтронов. Будем считать, что энергию падающих нейтронов мы можем плавно менять. Тогда можно заметить, что для определенных значений кинетической энергии нейтрона наблюдается резкое увеличение вероятности захвата частиц ядрами вещества с образованием составного ядра. Это явление получило название резонансного поглощения. Резонансное поглощение происходит в том случае, когда энергия падающей частицы такова, что образуемое промежуточное ядро близко к одному из его квантовых состояний. Схема расположения уровней энергии ядра мишени и составного ядра приведена на рис. 2.3.1.

Уровни энергии ядра - мишени и составного ядра

Энергия E 0 соответствует возбужденному состоянию составного ядра при захвате ядром - мишенью нейтронов с нулевой кинетической энергией (931 МэВ – энергия покоя нейтрона).

Нейтрон, попадая в поле ядерных сил, разгоняется и при непосредственном столкновении отдает не возбуждению E = 8 МэВ . Поэтому, зная энергию E 0 , можем найти уровень основного состояния составного ядра, а затем уже можем начертить расположение квантовых уровней составного ядра.

В зависимости от кинетической энергии падающего нейтрона вновь образуемое составное ядро имеет различную энергию возбуждения. Согласно схеме на рис. 2.3.1. при нулевой кинетической энергии нейтрона составное ядро не будет находиться в своем квантовом состоянии. Если же нейтрон имеет кинетическую энергию, равную E n = E 1 - E 0 = E * к, то в этом случае образуемое составное ядро будет иметь энергию, соответствующую квантовому уровню, поэтому вероятность захвата нейтрона с энергией E к = E 1 - E 0 будет значительной. Существует также еще ряд энергий нейтрона, при которых будет наблюдаться резонансный захват (например, E к = E 2 - E 0).

Согласно квантовой механике каждый из возбужденных уровней имеет определенную ширину, так как имеет конечное среднее время жизни. В соответствии с этим существует некоторый интервал энергий нейтрона, при которых будет происходить резонансное поглощение. Если ширина квантового уровня становится сравнимой с расстоянием между уровнями, то понятие резонансного поглощения становится неприемлемо. При энергии возбуждения E в » 8 МэВ расстояние между уровнями на тяжелых ядрах составляет (1¸10) эВ . В этом случае нейтроны, обладающие кинетической энергией в пределах E » (1¸100) эВ , будут резонансными. Если же мы будем иметь дело с легкими ядрами, то расстояние между уровнями при E возб » 8 МэВ имеет значение порядка 10 4 эВ , т.е. резонансное поглощение будет наблюдаться при энергии нейтрона Е n » 10 4 эВ , но при этом само сечение поглощения резко уменьшается, и ярко выраженных резонансов не наблюдается.

При кинетической энергии нейтрона ~ 1 МэВ образующееся составное ядро будет иметь энергию возбуждения примерно Е в » 9 МэВ. Но при таких энергиях расстояния между уровнями становятся одного порядка с шириной уровня, поэтому резонансное поглощение в этом случае отсутствует.

На изолированном резонансе зависимость сечения захвата нейтрона от энергии описывается формулой Брейта - Вигнера , полученной методами квантовой механики:

где А - некоторая постоянная, Е r - резонансная энергия нейтрона, Е – энергия нейтрона, Г – ширина уровня. Примерный график зависимости s(Е ) приведен на рис. 2.3.2.

Зависимость сечения взаимодействия нейтронов с ядрами от энергии в области резонанса