МЁССБАУЭРА ЭФФЕКТ. Известно, что, поглотив поступившую извне строго определенную порцию энергии, ядро атома приходит в возбужденное состояние — деформируется, пульсирует. Через какое-то время оно испускает гамма-кванты — фотоны большой энергии с высокой частотой электромагнитных колебаний (см. Кванты, Теория квантов, Фотон), так как фотоны одновременно обладают свойствами и частицы, и волны. Эти колебания давно стремились использовать для измерения времени, ибо постоянство частоты такого излучения настолько велико, что значительно превосходит все, с чем встречаются физики в других колебательных процессах. Нельзя даже представить себе иной механизм часов, обеспечивающий изменение хода на 1 сек за 100 000 лет.
Из теории ядерных процессов следует, что приемником, отзывающимся на гамма-кванты определенной частоты, могут быть только ядра таких же атомов. Поглотив гамма-кванты, ядра атомов приемников должны прийти в возбужденное состояние и в свою очередь через долю секунды испустить гамма-кванты опять-таки той же самой частоты.
Короче говоря, когда одно ядро атома излучает фотоны (гамма-кванты), а другое их поглощает, то те и другие «ядерные часы» (ядро-излучатель и ядро-поглотитель) дают одина ковые показания, так как их частоты в точности совпадают. Но как только эти частоты расходятся, явление совпадения частот (резонанса) исчезает. Это свидетельствует о различном ходе времени в двух местах: там, где излучатель, и там, где приемник.
Однако по ряду причин обнаружить такое (резонансное) поглощение долгое время не удавалось — слишком велика частота колебаний гамма-излучения и слишком мало время излучения. И только в 1958 г. немецкому физику Р. Мёссбауэ-ру удалось обнаружить существование резонанса между атомами радиоактивного и нерадиоактивного изотопов — железа-57, а затем применить данный эффект для измерения ничтожно малых отрезков времени. До открытия Мёссбауэ-ра это явление не удалось наблюдать только потому, что испускаемые ядром атома излучателя гамма-кванты в большинстве случаев не были в состоянии возбудить ядра атомов поглотителя: в процессе излучения они теряли часть своей энергии, вследствие чего их частота уменьшалась. Почему?
Воспользуемся некоторой аналогией. Когда снаряд вылетает из пушки, последняя испытывает отдачу, т. е. ей передается определенная часть энергии, полученная снарядом при выстреле Аналогично этому вылетающий из ядра атома гамма-квант сообщает испустившему его ядру импульс отдачи, теряя при этом некоторую часть полученной кинетической энергии, в результате чего его частота уменьшается, и ядро атома приемника (вследствие нарушения условий резонанса) оказывается уже не в состоянии поглотить такой гамма-квант.
Дело можно поправить, если заставить излучатель и приемник излучения двигаться навстречу друг другу с такой скоростью, при которой частота гамма-кванта (а следовательно, и его энергия) повысилась бы до резонансной частоты Это так называемый эффект Доплера, наблюдаемый, напри мер, при прохождении поезда. Когда поезд приближается к наблюдателю, частота колебаний (высота звука) его гудка заметно увеличивается, а при удалении поезда, наоборот, звучание гудка понижается (частота уменьшается). В случае с гамма-квантами частота меняется на долю, равную отношению скорости движения кванта к скорости света (300 ООО км1сек). Поэтому требуется очень большая скорость движения, чтобы можно было получить нужное повышение частоты кванта.
Потеря энергии снарядом может быть, однако, значительно уменьшена, если пушка при выстреле жестко закреплена на основании, имеющем большую массу.
Открытие, названное эффектом Мёссбауэра, и заключается а том, что энергию отдачи, которую получает ядро атома излучателя при испускании гамма-кванта, можно резко уменьшить, если ядро связать с какой-либо большой массой, например «встроив» его в кристалл. Тогда энергия отдачи распределится между большим количеством атомов кристалла и не вызовет существенного их перемещения, вследствие чего частота испускаемого гамма-кванта будет соответство вать резонансной частоте ядра атома поглотителя. Аналогичным образом можно закрепить и само ядро поглотителя.
Тогда излученный им гамма-квант может быть поглощен каким-то другим ядром или первоначальным излучателем.
Самое же важное в открытии резонансного поглощения без отдачи состоит в том, что оно позволяет обнаруживать изменение частоты за счет указанного выше встречного движения (эффекта Доплера) уже при скорости в тысячные доли миллиметра в секунду! Это открывает возможности для совершенно неожиданных применений и позволяет наблюдать явления, которые ранее казались недоступными для экспериментов.