Г-резонансная спектроскопия (эффект мессбауэра)

Ядра атомов (как свободных атомов и ионов, так и атомов в твердых телах) находятся под влиянием сильных электрических и магнитных полей, которые создаются окружающими ядро электронами. Благодаря малым размерам атомных систем, эти поля могут быть очень велики — значительно больше тех, которые могут быть созданы в лабораторных условиях. Взаимодействие ядер с этими полями называется сверхтонким взаимодействием. Происхождение данного термина исторически связано с тем, что это взаимодействие ответственно за сверхтонкую структуру оптических спектров. Изучение сверхтонких взаимодействий имеет большое значение в ядерной физике, поскольку эти взаимодействия лежат в основе различных методов измерения электромагнитных моментов атомных ядер. Высокая чувствительность параметров сверхтонкого взаимодействия к виду электронных волновых функций определяет широкое применение сверхтонких взаимодействий также и в физике твердого тела.

Наиболее важными типами сверхтонкого взаимодействия являются электрическое квадрупольное и магнитное дипольное взаимодействия. Первое из них есть взаимодействие квадрупольного момента ядра с градиентом электрического поля, второе — взаимодействие магнитного момента ядра с внутренним (сверхтонким) магнитным полем. Оба эти взаимодействия приводят к расщеплению ядерного уровня на подуровни, отличающиеся по величине магнитного квантового числа.

Сверхтонкое расщепление ядерных уровней должно приводить к возникновению сверхтонкой структуры г-излучения. К сожалению, наблюдение этой структуры с помощью традиционных спектрометров г-излучения невозможно. Энергия сверхтонкого расщепления обычно не превосходит 10^-6ч10^-5 эВ, что (для энергии г-перехода порядка 100 кэВ) соответствует относительному изменению энергии г-излучения порядка 10^-10ч10^-11. С помощью наиболее совершенных (кристалл-дифракционных) г-спектрометров возможно измерение энергий г-излучения с относительной точностью не лучше ~ 10^-5.

Кроме того, следует иметь в виду, что энергия сверхтонкого расщепления по порядку величины близка к естественной (квантовой) энергетической ширине возбужденных ядерных состояний, поэтому необходимым условием наблюдения сверхтонкой структуры является отсутствие существенного уширения линий в спектре г-излучения. Это условие обычно не выполняется, поскольку доплеровское уширение линий, связанное с тепловыми колебаниями атома, даже при низких температурах намного превосходит естественную ширину ядерного уровня.

Прямое наблюдение сверхтонкой структуры г-излучения стало возможным после открытия в 1958 году эффекта Мессбауэра — явления испускания и поглощения г-квантов без потери энергии на отдачу ядра. Эффект Мессбауэра приводит к появлению в спектре г-излучения линии, энергия которой точно равна разности энергий возбужденного и основного состояний ядра, а ширина равна естественной ширине возбужденного состояния. Это создает идеальные условия для наблюдения резонансного поглощения г-квантов ядрами, что, в свою очередь, может быть использовано для наблюдения сверхтонкой структуры г-излучения. Эффективное сечение резонансного поглощения очень чувствительно к малым изменениям энергии г-квантов; изменения энергии, сравнимые с естественной шириной возбужденного состояния, могут быть измерены непосредственно по изменению интенсивности потока квантов, прошедших через резонансный поглотитель.

Основанный на эффекте Мессбауэра экспериментальный метод изучения сверхтонкой структуры г-излучения называется мес-сбауэровской г-спектроскопией.