Энергия ядер квантована. При переходе ядра из возбужденного состояния в основное излучается -квант с энергией . Более возможное значение этой энергии для нескончаемо томного свободного ядра равно разности энергий его основного и возбужденного состояний: . Оборотный процесс соответствует поглощению г-кванта с энергией, близкой к .

При возбуждении совокупность схожих ядер на один и тот же уровень энергия испущенных квантов будет характеризоваться неким разбросом около среднего значения .

Рис 1.13 Схема, иллюстрирующая квантовые переходы с излучением и поглощением электрических квантов (а) и вид линий излучения и поглощения в оптическом (б) и ядерном (в) случаях.

Контур полосы поглощения описывается этим же соотношением, что и контур полосы испускания (Рис. 1.13). Понятно, что эффект резонансного поглощения электрического излучения оптического спектра, когда оптические кванты, испускаемые при переходе электронов возбужденных атомов на нижележащие электрические уровни, резонансно поглощаются веществом, содержащим атомы такого же самого сорта. Явление статического резонансного поглощения отлично наблюдается, к примеру на парах натрия.

К огорчению, явление резонансного ядерного поглощения на свободных ядрах не наблюдается. Причина состоит в том, что модель томных ядер (атомов), когда энергопотери на отдачу по отношению к невелики, справедлива для оптического резонанса и совсем неприменима для ядерного. Гамма-кванты, излучаемые в ядерных переходах, имеют существенно более высшую энергию – 10-ки и сотки кэВ (по сопоставлению с несколькими десятками эВ для квантов видимой области). При сравнимых значениях времени жизни и, соответственно, близких значениях естественной ширины электрических и ядерных уровней в ядерном случае еще более существенную роль при испускании и поглощении играет энергия отдачи:

, (1.13)

где – импульс отдачи ядра равный по модулю импульсу излученного -кванта, m – масса ядра (атома).

Потому в оптическом случае и резонанс на свободных ядрах не наблюдается (см. рис. 1.13 б и в). Рудольф Мессбауэр, изучая поглощение -квантов, излученных изотопом Ir, в кристалле Ir нашел, в противоположность пророчествам традиционной теории, повышение рассеяния -квантов при низких температурах (T≈77K). Он показал, что наблюдаемый эффект связан с резонансным поглощением -квантов ядрами атомов Ir и отдал разъяснение его природы.

В опытах по эффекту Мессбауэра измеряются не сами по для себя полосы испускания (либо поглощения), а кривые резонансного поглощения (мессбауэровские диапазоны). Уникальные внедрения способа ядерного гамма-резонанса в химии и физике твердого тела обоснованы тем, что ширина составляющих мессбауэровский диапазон личных резонансных линий меньше энергий магнитного и электронного взаимодействий ядра с окружающими его электронами. Эффект Мессбауэра – действенный способ исследования широкого круга явлений, влияющих на эти взаимодействия.

Простая схема наблюдения эффекта Мессбауэра в геометрии пропускания включает источник, поглотитель (узкий эталон исследуемого материала) и сенсор г-лучей (рис. 1.14).

Рис. 1.14 Схема мессбауэровского опыта: 1– электродинамический вибратор, задающий разные значения скорости источника; 2 – мессбауэровский источник; 3 – поглотитель, содержащий ядра мессбауэровского изотопа; 4 – сенсор прошедших через поглотитель г-квантов (обычно пропорциональный счетчик либо фотоэлектронный умножитель).

Источник -лучей должен владеть определенными качествами: иметь большой период полураспада ядра, в случае распада которого рождается ядро резонансного изотопа в возбужденном состоянии. Энергия мессбауэровского перехода должна быть относительно малой (чтоб энергия отдачи не превысила энергию, нужную для смещения атома и узла кристаллической решетки), линия излучения – узенькой (это обеспечивает высочайшее разрешение) и возможность бесфонного излучения – большой. Источник г-квантов в большинстве случаев получают введением мессбауэровского изотопа в железную матрицу средством диффузионного отжига. Материал матрицы должен быть диа- либо парамагнитным (исключается магнитное расщепление ядерных уровней).

В качестве поглотителей употребляют тонкие эталоны в виде фольги либо порошков. При определении нужной толщины эталона необходимо учесть возможность эффекта Мессбауэра (для незапятнанного железа лучшая толщина ~20 мкм). Лучшая толщина является результатом компромисса меж необходимостью работать с узким поглотителем и иметь высочайший эффект поглощения. Для регистрации -квантов, прошедших через эталон, более обширно используются сцинтилляционные и пропорциональные счетчики.

Получение диапазона резонансного поглощения (либо мессбауэровского диапазона) подразумевает изменение критерий резонанса, зачем нужно модулировать энергию -квантов. Применяющийся в текущее время способ модуляции основан на эффекте Доплера (в большинстве случаев задают движение источника г-квантов относительно поглотителя).

Энергия г-кванта за счет эффекта Доплера меняется на величину

∆E = , (1.14)

где – абсолютное значение скорости движения источника относительно поглотителя; с – скорость света в вакууме; – угол меж направлением движения источника и направление испускания г-квантов.

Так как в опыте угол воспринимает только два значения =0 и , то ∆E = (положительный символ соответствует сближению, а отрицательный – удалению источника от поглотителя).

В отсутствие резонанса, к примеру, когда в поглотителе отсутствует ядро резонансного изотопа либо когда доплеровская скорость очень велика (, что соответствует разрушению резонанса из-за очень огромного конфигурации энергии -кванта), наибольшая часть излучения, испущенного в направлении поглотителя, попадает в расположенный за ним сенсор.

Сигнал от сенсора усиливается, и импульсы от отдельных -квантов регистрируются анализатором. Обычно регистрируют число —квантов за однообразные промежутки времени при разных . В случае резонанса г-кванты поглощаются и переизлучаются поглотителем в случайных направлениях (рис. 1.14). Толика излучения, попадающего в сенсор, при всем этом миниатюризируется.

В мессбауэровском опыте исследуется зависимость интенсивности прошедшего через поглотитель излучения (числа зарегистрированных сенсором импульсов) от относительной скорости источника . Эффект поглощения определяется отношением

, (1.15)

где – число г-квантов, зарегистрированных сенсором за определенное время при значении доплеровской скорости (в опыте употребляют дискретный набор скоростей ); – то же при , когда резонансное поглощение отсутствует. Зависимости и задают вид кривой резонансного поглощения сплавов и соединений железа, лежат в границах ±10 мм/с.

Возможность эффекта Мессбауэра определяется фононным диапазоном кристаллов. В области низких температур () возможность добивается значений, близких к единице, а в области больших () она очень мала. При иных равных критериях возможность бесфонного поглощения и излучения больше в кристаллах с высочайшей температурой Дебая (определяет твердость межатомной связи).

Возможность эффекта определяется диапазоном упругих колебаний атомов в решетке кристалла. Мессбауэровская линия интенсивна, если амплитуда колебаний атомов невелика по сопоставлению с длиной волны г-квантов, т.е. при низких температурах. В данном случае диапазон излучения и поглощения состоит из узенькой резонансной полосы (бесфонные процессы) и широкой составляющие, обусловленной конфигурацией колебательных состояний решетки при излучении и поглощении г-квантов (ширина последней на 6 порядков больше ширины резонансной полосы).

Анизотропия межатомной связи в решетке обусловливает анизотропию амплитуды колебаний атомов и, как следует, различную возможность бесфонного поглощения в разных кристаллографических направлениях. Для монокристаллов, таким макаром могут быть измерены не только лишь усредненные, да и угловые зависимости.

В приближении узкого поглотителя возможность бесфонных переходов пропорциональна площади под кривой резонансного поглощения. Ядерный гамма-резонанс может быть применен для исследования колебательных параметров решетки твердого тела либо примесных атомов в этой решетке. Более комфортным экспериментальным параметром в данном случае является площадь диапазона S, потому что она является интегральной чертой и не находится в зависимости от формы диапазона испускания резонансных квантов и самопоглощения в источнике. Эта площадь сохраняется при расщеплении диапазона на несколько компонент в итоге сверхтонких взаимодействий.

Простой диапазон резонансного поглощения узкого поглотителя представляет собой одиночную линию лоренцевской формы. Интенсивность прошедшего через поглотитель излучения мала в максимуме поглощения. В качестве примера на рис. 1.15 приведены мессбауэровские диапазоны незапятнанного железа.

Рис. 1.15 Мессбауэровские диапазоны незапятнанного железа.