Материал: Иродов. т5 Квантовая физика Основные законы. 2014, 256с

И тем не менее явление резонансного поглощения Λ-лучей было обнаружено Мессбауэром (1958) на изотопе 191Ir. Это оказалось возможным только с ядрами, входящими в состав кристалла. При этом существует вероятность испускания Λ-кванта ядром с отдачей, которую воспринимает не ядро, а весь кристалл в целом, не меняя своего внутреннего состояния (т. е. без возбуждения колебаний решетки). Масса кристалла несопоставимо велика по сравнению с массой отдельного ядра, поэтому энергия отдачи кристалла практически равна нулю. В результате частота испущенного Λ-кванта не смещается относительно резонансного значения, и этот Λ-квант может быть поглощен другим таким же ядром, тоже входящим в состав кристалла.

В этом заключается суть эффекта Мессбауэра: испускание и поглощение Λ-квантов без отдачи, т. е. резонансное. Этот эффект удается наблюдать только при очень низких температурах, но иногда и при комнатных температурах (в случае с Fe).

Эффект Мессбауэра наблюдают так. Источник Λ-излучения приводят в движение с небольшой скоростью v навстречу поглотителю или в обратном направлении. При этом измеряют

скорость счета Λ-квантов за поглотителем. Если v − 0, то резо-

нанс нарушается: линии испускания и поглощения сдвигаются относительно друг друга за счет

эффекта Доплера. При v 0 наблюдается резонансное поглощение Λ-квантов, что показано на рис. 8.9.

Благодаря очень малому отношению ширины Μ возбужденных ядерных уровней к энергии возбуждения E* (Μ/E* 10–12 Κ 10–16) эффект Мессбауэра дает уникальный метод измерения ничтожных изменений энергии, которые не могут быть измерены никаким другим методом.

Вчастности, с помощью этого эффекта удалось обнаружить

влабораторных условиях гравитационное смещение спектральных линий (уменьшение частоты фотона при удалении его от источника тяготения). Для этого надо было измерить отно-

сительное изменение энергии фотона порядка 10–15 на базе около 20 м, что впервые и проделали Паунд и Ребка (1960).

Рассмотрим этот вопрос более подробно. Найдем относительное уменьшение частоты Λ-кванта (гравитационное смещение) при удалении его от поверхности Земли на l % 20 м.

Считая, что Λ-квант ведет себя подобно частице, обладающей гравитационной массой h /c2, запишем, что приращение энергии Λ-кванта на пути dr равно работе гравитационной силы Fr на этом пути:

где Λ — гравитационная постоянная, Mз — масса Земли; знак минуc связан с тем, что проекция силы Fr < 0. Разделив в (1) переменные и r, получим:

Проинтегрируем это уравнение по частоте от 0 до и по r от радиуса Земли R до R l:

где g — напряженность гравитационного поля (g ΛMз/R2). Здесь учтено, что l I R. Из (3) следует:

0 e g lc 2 % 0 (1 gl/c2 ),

поскольку gl/c2 I 1. Видно, что частота Λ-кванта с удалением от поверхности Земли уменьшается.

Искомое относительное изменение частоты Λ-кванта

Несмотря на чрезвычайную малость этого смещения (сдвиг составлял сотую часть ширины линии), его удалось измерить с достаточной степенью точности и тем самым экспериментально в лабораторных условиях подтвердить наличие гравитационного (красного) смещения.

§ 8.7. Ядерные реакции

Ядерная реакция — это процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, — процесс, сопровождающийся преобразованием ядер. Это взаимодействие возникает благодаря действию ядерных сил при сближении частиц до расстояний порядка 10–13 см.

Отметим, что именно ядерные реакции дают наиболее широкую информацию о свойствах ядер. Поэтому изучение ядерных реакций является самой главной задачей ядерной физики.

Наиболее распространенным типом ядерной реакции является взаимодействие частицы a с ядром X, в результате чего образуется частица b и ядро Y. Это записывают символически так:

a X Y b

или в сокращенном виде

Роль частиц a и b чаще всего выполняют нейтрон n, протон p, дейтрон d, -частица и Λ-квант. Говоря, что (8.32) есть ядерная реакция, мы подразумеваем, что частица b не тождественна частице a. В противном случае этот процесс называют рассеянием.

Частицы, рождающиеся в результате ядерной реакции (8.32), могут быть не только b и Y, но вместе с ними и другие b , Y . В этом случае говорят, что ядерная реакция имеет несколько каналов, причем различным каналам соответствуют различные вероятности.

Выход ядерной реакции. В ядерной физике вероятность взаимодействия принято характеризовать с помощью эффективного сечения #. Наглядно # интерпретируется как площадь сечения ядра X, попадая в которую налетающая частица вызывает реакцию.

Если мишень из ядер X настолько тонкая, что ядра не перекрывают друг друга, то относительная доля площади S мишени, перекрытая ядрами X, равна #nS/S #n, где n — число ядер на единицу площади мишени. И мы можем сказать, что относительное число N/N частиц a, вызвавших ядерную реак-

цию (или, другими словами, вероятность P, что частица а вызовет ядерную реакцию), определяется как

Именно w является непосредственно измеряемой величиной. А зная w и n, можно найти и # с помощью (8.33).

Заметим, что если мишень не тонкая, то выражение для w усложняется:

w N 1 e #n .

N

Мы не будем углубляться в дальнейшие детали, но на одно обстоятельство следует обратить внимание. Геометрическое сечение ядра имеет порядок 10–24 см2. Эту величину принимают за единицу ядерных сечений и называют барном (б),

238U от кинетической энергии K нейтрона.

Типы ядерных реакций. Установлено, что реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап — это захват налетающей частицы a ядром X с образованием составного (или промежуточного) ядра. При этом энергия частицы a быстро перераспределяется между всеми

нуклонами ядра, и составное ядро оказывается в возбужденном состоянии. В этом состоянии ядро пребывает до тех пор, пока в результате внутренних флуктуаций на одной из частиц (которая может состоять и из нескольких нуклонов) не сконцентрируется энергия, достаточная для вылета ее из ядра.

Такой механизм протекания ядерной реакции был предложен Н. Бором (1936) и впоследствии подтвержден экспериментально. Эти реакции иногда записывают с указанием составного ядра C, как например

где звездочка у C указывает на то, что ядро C* возникает в возбужденном состоянии.

Составное ядро C* существует достаточно долго — по сравнению с «ядерным временем», т. е. временем пролета нуклона с энергией порядка 1 МэВ (v % 109 см/с) расстояния, равного диаметру ядра. Ядерное время )я % 10–21 с. Время же жизни составного ядра в возбужденном состоянии 10–14 с. Т. е. в ядерном масштабе составное ядро живет действительно очень долго. За это время все следы истории его образования исчезают. Поэтому распад составного ядра — вторая стадия реакции — протекает независимо от способа образования составного ядра.

Реакции, вызываемые быстрыми частицами с энергией, превышающей десятки МэВ, протекают без образования составного ядра. И ядерная реакция, как правило, является прямой. В этом случае налетающая частица непосредственно передает свою энергию какой-то частице внутри ядра, например, одному нуклону, дейтрону, -частице и т. д., в результате чего эта частица вылетает из ядра.

Типичная реакция прямого взаимодействия — это реакция срыва, когда налетающей частицей является, например, дейтрон. При попадании одного из нуклонов дейтрона в область действия ядерных сил он будет захвачен ядром, в то время как другой нуклон дейтрона окажется вне зоны действия ядерных сил и пролетит мимо ядра. Символически реакцию срыва записывают как (d, n) или (d, p).

При бомбардировке ядер сильно взаимодействующими частицами с очень высокой энергией (от нескольких сотен МэВ и