Гамма-излучение. Эффект Мессбауэра

Гамма-лучами называют электромагнитное излучение, возникающее при переходе атомных ядер из возбужденного состояния в более низкие энергетические состояния.

В этом процессе число протонов и нейтронов в ядре не изменяется. Спектр g-излучения - дискретный, что связано с квантование энергетических уровней в ядре. Энергия g - квантов, испускаемых атомными ядрами, изменяется от 10 кэВ до 5 МэВ.

Длина волны g-квантов 10^-11 ³ l ³ 10^-13 м.

Процесс излучения g-кванта нуклоном в ядре сопровождается обменом импульсом последнего не только с рассматриваемым нуклоном, но и с остальными нуклонами ядра. Следовательно, испускание g-квантов - процесс внутриядерный, а не внутринуклонный.

Возможны и каскадные испускания возбужденным ядром нескольких g-квантов.

Возбужденные ядра, способные к g-излучению, могут возникать также в результате предшествующих a- и b-распадов.

Однако возбужденное ядро может перейти в основное состояние не только путем испускания g-квантов, но и путем непосредственной передачи энергии возбуждения одному из электронов атомных оболочек.

Такой процесс называют внутренней конверсией.

Электроны внутренней конверсии моноэнергетичны, что и позволяет отличить их от электронов, испускаемых при b^-- распаде ядер, спектр излучения которых непрерывен.

Внутренняя конверсия сопровождается рентгеновским излучением, которое возникает в результате переходов электрона с вышележащих атомных слоев и оболочек на место, освобожденное электроном внутренней конверсии.

Вероятность испускания возбужденным ядром g-кванта в сильной степени зависит от направления спинов начального и конечного состояний ядра.

Гамма-излучение нашло применение в эффекте Мессбауэра.

Например, гамма-излучение возникает при переходе изотопа железа из возбужденного состояния (период полураспада Т_1/2 = 10^-7 с) в основное – не возбужденное

При этом ядро теряет энергию W₀ = 14,4 кэВ.

Гамма-квант уносит с собой энергию e_g = W₀ - DW, где

- энергия отдачи, поглощаемая ядром.

Резонансное поглощение может быть осуществлено гамма-квантами с энергией

g–квант имеет узкую ширину линий испускания и поглощения (De << DW). Чтобы устранить эффект отдачи поглощаемым ядром, в 1958 г. Мессбауэр предложил использовать радиоактивный распад ядер, введенных в кристалл.

Эффект Мессбауэра заключается в резонансном излучении (поглощении) g - излучения без отдачи энергии ядром.

В этом случае при низких температурах (ниже дебаевских) отдачу будет испытывать весь кристалл в целом, а так как масса кристалла много больше массы отдельного ядра, то процессы испускания и поглощения будут происходить практически без потерь энергии на отдачу.

Первоначальные опыты Мессбауэра, выполненные на изотопе иридия при температуре Т = 88 К, давали относительно большое отношение ширины спектральной линии Г и энергии перехода W₀ ( » 4×10^-11). Принципиальная схема опыта для наблюдения эффекта Мессбауэра приведена на рис. 10.

Источник резонансного g - излучения медленно вращается по окружности относительно поглотителя П. За поглотителем П расположен счетчик g - излучения С.

В опыте измеряется зависимость скорости счета от скорости движения источника в моменты приближения и удаления его от поглотителя.

При быстром движении источника линия испускания сдвигается относительно линии поглощения и резонанс не наблюдается.

При уменьшении скорости движения источника обе эти линии сближаются, а при их совпадении появляется острый максимум поглощения (рис. 11).

Это проявляется в резком уменьшении скорости счета.

Значительно лучшие результаты удалось получить при использовании возбужденного изотопа железа ( » 10^-13) при Т = 297 К.

Точность результатов опыта можно повысить до 10^-16, если использовать возбужденный изотоп цинка . Высокая точность при измерении частоты в эффекте Мессбауэра позволила исследовать сверхтонкую структуру гамма – излучения ряда ядер.

Измерены величины внутренних магнитных полей в кристаллах, значения квадрупольной связи, магнитные моменты ядер в возбужденном состоянии и т. д.

Эффект Мессбауэра был использован для проверки смещения спектральных линий в гравитационном поле в соответствии с общей теорией относительности (гравитационное красное смещение).