Причины сужения мёссбауэрских линий

 

Рис. 4

Американский физик Г. Вертхейм в своей монографии [9] отмечает: «Свойством γ-излучения без отдачи, превратившим эффект Мёссбауэра из любопытного лабораторного эксперимента в важный и признанный метод исследований, является ширина линии».

Как известно, в мёссбаурском эффекте спектральная линия очень узкая, можно сказать, сильно сфокусированная, что дает в руки исследователей очень точный инструмент.

От чего зависит ширина линии?

Во-первых, от длительности переходных процессов, зависящих только от времени распада, так называемая – естественная ширина линии. Естественной шириной спектральной линии называется диапазон длин волн (или частот), ширина которого определяется конечным временем излучения.

Во-вторых, от эффекта Доплера, вызванного тепловыми колебаниями атомов. Излучающие, возбужденные атомы колеблются в различных направлениях и с различными скоростями, возникает доплеровское уширение спектральной линии – расширенная линия.

В-третьих, колебания кристаллической решетки создают переменное электрическое поле, которое влияет на ионы решетки и изменяет их энергию, а это приводит к размытию энергетических уровней и уширению спектральной линии.

Вероятностный характер колебаний ядра-излучателя, частота идущей от него волны, оказывается доплеровски промодулирована тепловыми колебаниями. В свою очередь, частота импульсов поглотителя, также модулируется тепловыми колебаниями атомов, поэтому в реальных условиях ширина линии обычно шире естественной. Этому способствуют причины, указанные выше.

При комнатных температурах для резонансного поглощения необходимо совпадение частоты и вектора теплового колебания с частотой, соответствующей энергии перехода в излучателе и поглотителе – в течение хотя бы небольшого промежутка времени. Статистически попадание по фазе вполне возможно, но эти совпадения бывают спонтанными и их трудно зафиксировать и идентифицировать.

Мёссбауэр при постановке своих опытов «убил сразу двух зайцев». Первым был эффект Доплера, возникающий из-за теплового спонтанного колебания атомов. От данного эффекта он отстроился, снизив температуру источника и приемника. Вторым зайцем оказался эффект сужения спектральных линий переходов. Второй заяц оказался попутным и им Мёссбауэр особо не занимался, хватило и одного – тушка потянула на Нобелевскую.

Атом из возбужденного состояния переходит спонтанно или самопроизвольно в более низкое энергетическое состояние. Время жизни возбужденных состояний атомов составляет 10^-8–10^-9 сек. Соответственно, возбужденный атом имеет конечную ширину спектральной линии Г (рис. 4). В мёссбауэрских переходах для ядер ⁵⁷Fe отношение ширины линии к энергии y-кванта составляет 3х10^-13, а для изотопов ⁶⁷Zn с рекордным значением . Такие ширины не достигнуты даже в газовом лазере, который является источником самых узких линий.

Вопрос по существу, а почему происходит сужение линий в спектре резонансного поглощения и одновременно увеличение амплитуды импульса?

Как замечает источник [3]: «Мёссбауэровские ширины определяются естественными ширинами ядерных линий. Однако, отношения этих естественных ширин, в среднем, 10^-8 эВ, к энергиям ядерных переходов оказываются, в среднем, ~10^-13, что на несколько порядков меньше аналогичных отношений для атомных переходов – хотя, на наш взгляд, атомные и ядерные структуры формируются по одному и тому же принципу. Не может ли оказаться, что мёссбауэровские ширины определяются не естественными ширинами ядерных линий, а каким-либо дополнительным обужающим фактором?».

Так что же это за дополнительный обужающий фактор и откуда он возникает?

На практике, когда требуется дополнительная подстройка частоты для получения резонанса, и, соответственно, для сужения линии, применятся механическое сближение источника с приемником (эффект Доплера). За счет  этого уменьшается время переходных процессов в излучателе и приемнике и время передачи импульсов. При сближении источника с приемником – частота и энергия увеличиваются и, наоборот, при удалении – уменьшаются, соответственно, в первом случае время взаимодействия уменьшается, а во втором – увеличивается.

Но вернемся к Мёссбауэру. Если бы в его эксперименте произошло только совпадение частот и энергий излучения и поглощения, то он получил бы те самые две, сдвинутые по времени, линии естественной ширины, но никак не суженные (рис. 4). Это должно было произойти по одной причине: системы излучения и поглощения не имеют обратной связи, поэтому импульсы излучения и поглощения по времени идут последовательно – пока не закончится первый, не должен появиться второй. Отсюда следует логический вывод: спектральные линии не должны сливаться в одну и  резонанс не должен присутствовать.

Но Мёссбауэр получил и резонанс, и суженую линию. За счет чего?

У меня есть только один ответ: за счет того самого эффекта Доплера. Мёссбауэр отстроился от этого эффекта, связанного с возникновением расширенной линии от действия тепловых колебаний атомов, а я теперь привлекаю его для объяснения противоположного явления – сужения линии ядерного перехода. Где логика?

Начнем с импульса. Что представляет из себя любой импульс? Это возмущение, какой либо среды источником, произошедшее в течение определенного промежутка времени. Возмущенная среда дает соответствующий отклик в виде такого же импульса, но с запаздыванием по времени на величину переходных процессов. Ширина импульса есть функция от времени t происходящего процесса.

Г ~ f(t)

Чем дольше по времени длится переход, тем шире линия, и, наоборот, чем быстрее переходный процесс, тем уже линия и совершенно не зависит от способа измерения: в метрах секундах или в энергиях.

Если рассматривать излучатель и поглотитель неподвижными (без отдачи), как предписывает мёссбауэрская теория, то сначала должен регистрироваться импульс излучателя, а потом должен появиться импульс, которым возбуждается атом мишени (поглотителя). Эти импульсы не могут быть суженными и наложиться друг на друга. Это классический пример, когда Мессбауэр показывает нам два последовательных импульса, но с указанием на то, данные импульсы отстоят друг от друга на некоторую величину, якобы по причине отдачи (рис. 1).

Будет отдача, или ее не будет, импульсы будут следовать друг за другом из-за того, что они разнесены по времени, сначала импульс источника, следом за ним – приемника и будут иметь естественную ширину.

Тогда как быть с резонансом, он же присутствует!

Да, резонанс присутствует, а чтобы он осуществился (линии наложились одна на другую и сузились) требуются три условия.

Первое условие: атомы излучателя и поглотителя должны быть энергетически идентичны.

Второе условие: данные процессы должны проходить одновременно, или с очень малым сдвигом по времени.

Третье условие: для уменьшения ширины линии необходимо увеличить частоту перехода v, т.е. уменьшить время излучения и время поглощения. Сделать это можно только одним способом – на короткое время быстро сблизить источник и приемник.

Первое условие легко выполняется конструктивными методами.

Но как выполняются второе и третье условия? Приемник не может поглотить квант энергии, который до конца не сгенерировался. Это к тому, что будет обязательный сдвиг импульсов по времени.

Итак, необходимо быстро сблизить излучатель и приемник, притом это нужно сделать синхронно, т.е. в самом начале «отрисовки»  импульса излучателя, только тогда мы получим желаемую картинку, наложенные друг на друга узкие линии спектра. Вот это и есть резонанс поглощения (рис. 5).

Эффект гравитационного смещения

 

Рис. 5

Здесь возникает новый и резонный вопрос: кто и как двигает атомы в мёссбауэрском эффекте?

Ответ: данную работу может проделать только энергия кванта излучателя! Происходит  это следующим способом. При переходе ядра из возбужденного состояния с энергией Е в основное состояние, освобождающаяся энергия уносится y-фотоном и частично передается самому ядру, но не в виде отдачи, а в виде импульса придачи!

Атом излучающего ядра получает импульс придачи, равный по величине импульсу фотона pp=hv/с. Но, поскольку атом закреплен химическими связями в кристаллической решетке, то он не может ее покинуть, поэтому получает смещение (колебание) относительно центра его устойчивого положения в сторону поглотителя (промежуток времени t₁), (рис. 5). Это то самое колебание кристаллической решетки.

В свою очередь фотон, влетая в электромагнитный эфир какого либо атома приемника, дергает его на себя, в результате атом приемника также получает импульс поступательного движения (смещения) в сторону излучателя (рис. 6).

Рис. 6

Данный эффект можно назвать гравитационным смещением или традиционно – взаимным притяжением источника и приемника. Именно такая картина возникает при резонансном поглощении.

Именно так в природе благодаря эффекту гравитационного смещения осуществляется притяжение всех взаимодействующих тел!

Фотон излучателя сначала увлекает своим импульсом собственный атом излучателя, а затем привлекает (дергает) на себя атом приемника, заставляя его совершить гравитационное смещение (притяжение).

В лабораторных условиях, в силу близости излучателя и поглотителя, два процесса излучения и поглощения идут практически одновременно с укорочением времени (t₂), (рис. 5), Отсюда узкая линия и резонанс! (t₃ – колебание атома после резонанса).

Смещение атома источника в направлении полета фотона и смещение атома приемника навстречу движения данного фотона (уменьшение времени взаимодействия) – вот это и есть тот самый – обужающий фактор.

Аналогично такую же работу проделывает фотон Солнца [11]. Но солнечный, излучающий импульс не может наложиться на земной импульс поглощения, т.к. источник и приемник разнесены на расстояние 150 млн. км и следуют с интервалом времени более 8 минут. В лабораторных исследованиях источник и приемник расположены на близком расстоянии, поэтому импульсы практически сливаются.

За счет уменьшения времени взаимодействия источника с приемником увеличивается частота импульсов на величину Δv. Отсюда действительная частота будет равна:

Где, v₀  - частота излучения неподвижного источника,

с - скорость света,

v_z- проекция скорости на направление наблюдения (ось Z).

Знак «+» соответствует движению объекта к наблюдателю, а «-» от наблюдателя.

Как видно из выражения (7), чем выше скорость сближения v_z, тем выше частота, соответственно уже линия спектра.

По поводу увеличения амплитуды импульса.

Энергия импульса остается неизменной, ее можно представить в виде стандартного импульса с определенной площадью. При сужении импульса происходит перераспределение его геометрических параметров. По сути, если взять площадь стандартного импульса S_e, то она будет равна площади S_r при резонансном поглощении. Площадь остается прежней, изменяется только форма импульса. Вот по этой причине возрастает амплитуда при резонансе, это компенсация за его сужение.

Выводы по главе: Эффект Мёссбауэра

• В мире фотонов передача энергии происходит квантами без отдачи.
• Кванты энергии на скорости света передаются импульсами придачи (анти отдачи).
• Благодаря импульсам придачи возникает резонансное поглощение (доплеровская поправка природы).
• Третий закон Ньютона нарушается! Если не было бы его нарушения, то не существовало бы всемирного притяжения!
• Сужение импульсов при резонансном поглощении зависит только от эффекта гравитационного смещения. Благодаря данному эффекту осуществляется Всемирное тяготение. Эффект Мёссбауэра подтверждает данную гипотезу.

 

Назад  Вперед