Ядерные спектры и эффект Мёссбауэра

При максимально возможной опоре на механику или электродинамику необходимо указать физически наглядные математические операции, интерпретация которых через колебания подходящей модели приводит для неё к законам сериальных спектров; она должна позволить улучшить эмпирические формулы, упорядочить их с единой точки зрения и открыть новые законы.

Вальтер Ритц, "Теория спектральных серий" [9, 50]

Выше было показано, что разгадка строения атома сразу объясняет механизм генерации характерных атомных спектров элементов (§ 3.1, § 3.2). Точно так же, установление в предыдущем разделе строения ядер должно автоматически прояснять и природу ядерных спектров. Было открыто, что атомные ядра при возбуждении, скажем, — от перестройки ядер или от соударений, начинают испускать гамма-излучение строго определённых частот, характерных для данного ядра. То есть, подобно линейчатым атомным спектрам, существуют ядерные, имеющие много большие частоты. Во всех случаях спектр излучения генерируется вибрирующими электрическими зарядами. Так, крутящиеся электроны генерируют атомные спектры. Но в ядрах электроны находятся в связанном состоянии: они входят в состав электрон-позитронной решётки остова ядра. Поэтому ядерные спектры должны генерировать колеблющиеся протоны ядер. В самом деле, протоны тоже могут пошагово смещаться вдоль узлов электрон-позитронной решётки, оказываясь каждый раз в новом, строго заданном магнитном поле. Колеблясь в нём, они испускают излучение дискретно меняющихся частот. Характерная частота этих колебаний, которую легко рассчитать из данной модели, по порядку величины вполне соответствует частотам гамма-спектров ядер. И, опять же, поскольку каждое ядро имеет своё особое, неповторимое строение, эти спектры будут сугубо индивидуальны для разных ядер и эквивалентны для одинаковых ядер. Именно это свойство стандартной структуры спектра используют в эффекте Мёссбауэра. Он состоит в том, что ядра поглотителя эффективно поглощают гамма-излучение источника только в том случае, если излучение испускают ядра того же типа, а приёмник неподвижен относительно источника.

Выше мы видели, что электронные слои в атоме и нуклонные слои в ядре заполняются по сходному принципу и, по сути, заданы единой структурой (§ 3.3, § 3.6). Подобие атомных и ядерных структур отражено и в спектрах. Выше рассмотрены атомные спектры, порождаемые колеблющимся электроном в возбуждённом атоме. При этом, каждому атому отвечал свой особый линейчатый спектр, — индивидуальный "штрихкод атома". Точно так же, существуют характерные ядерные спектры возбуждённых ядер. И атомные, и ядерные спектры излучаются при колебаниях зарядов, но, если в атоме это — электроны, то в ядрах — протоны. Они тоже колеблются с жёстко заданными, индивидуальными для каждого типа ядер частотами в магнитном поле атомного остова (Рис. 115). Как выяснили, постоянная Ридберга R=h/16π²ca²M (§ 3.1). Поскольку заряды колеблются в одном и том же атомном остове, различие будет лишь в шаге a электрон-позитронной сетки и массе M генерирующего заряда. Ранее было найдено, что расстояние между узлами, в которых колеблются электроны атома, составляют порядка размеров атома:a≈a₀=0,53×10^–10 м, то есть порядка одного ангстрема (1 Å=10^–10 м). Точно так же, расстояния между узлами, в которых колеблются протоны, составляют порядка размеров ядра и классического радиуса электрона, который как раз и задаёт шаг электрон-позитронной сетки: a≈r₀=2,82×10^–15 м, то есть порядка одного ферми (10^–15 м). Раз в ядрах расстояния a≈r₀ меж электронами и позитронами в 10⁴–10⁵ раз меньше расстояний a≈a₀ в электронных слоях, а масса M протона в 2000 раз больше электронной, то R для ядер выйдет в 10⁵–10⁶ раз больше.

Рис. 115. Два масштаба сил и спектров. Протоны p в узлах мелкой сетки генерируют в магнитном поле уголка ядерные спектры, а электроны e в узлах крупной сетки дают атомные спектры.

Соответственно, характерные частоты f~R ядерных спектров в 10⁵ раз выше атомных. И, — точно, ядерные спектры лежат в рентгеновском и гамма-диапазоне 10¹⁶–10¹⁹ Гц, тогда как атомные, лежащие в инфракрасном и оптическом диапазоне 10¹¹–10¹⁵ Гц, имеют на 5 порядков меньшие частоты. Итак, схожая структура спектров, в виде ряда дискретно меняющихся частот, характерных для данного ядра или атома, говорит о едином механизме их генерации. Разница лишь в масштабе сеток, между узлами которых смещается генерирующий заряд. И, если атомные спектры дают ключ к разгадке строения атома, то ядерные — к строению ядер.

Рассмотренный механизм генерации ядерных спектров, судя по всему, не единственный, поскольку ядра излучают не только от возбуждения ударами, но и при возбуждении в процессе ядерных реакций и при спонтанном переходе из одного состояния в другое. Такое гамма-излучение генерируют, вероятно, уже не колебания отдельных протонов, а колебания отдельных частей ядра, имеющие, подобно колебаниям молекул или грузов на пружинке, жёстко заданные частоты, о чём будет рассказано ниже (§ 3.13). Излучение ядер может возникать и от резкого торможения соударяющихся ядер, в случае неупругого удара, порождая огромные ускорения. А ускоренно движущееся заряженное ядро, по законам электродинамики, должно излучать электромагнитную энергию. Тогда, вся кинетическая энергия сталкивающихся ядер может преобразоваться в энергию излучения, отчего такой удар и называют неупругим.

Возникает гамма-излучение и при перестройке протон-нейтронной структуры, то есть, при спонтанном переходе из менее устойчивого структурного состояния — в более устойчивое. Как было показано в предыдущем разделе (§ 3.6), нуклоны могут располагаться в ядре различным образом. При этом, разным способам размещения соответствует разная энергия связи, так что переход из одного состояния в другое, более устойчивое, сопровождается выделением соответствующей энергии в виде гамма-излучения. Ведь, при такой перестройке ядра, перемещаемые нуклоны механически встряхиваются, начиная колебаться в магнитном поле ядерного остова, излучая гамма-лучи. Причём, для каждого ядра, для каждой реакции, опять же, свойственны свои характерные частоты излучения. По аналогии с атомами, ядра на тех же частотах сильнее всего и поглощают излучение. Такая строгая индивидуальность, жёсткая определённость частот гамма-излучения, аналогичная наличию характерных линий в атомных спектрах, находит применение на практике, в качестве эталонных частот, для сравнения параметров излучателя и поглотителя и выявления ничтожных сдвигов частоты, вызванных движением источника и релятивистскими эффектами. Чаще всего, применяют упомянутый эффект Мёссбауэра, измеряя степень поглощения гамма-излучения от источника поглотителем. Эффект Мёссбауэра позволяет выявлять тончайшие сдвиги частоты от движения источника и поглотителя и других влияющих на частоту эффектов.

Кстати, в эффекте Мёссбауэра сталкиваемся с ещё одним провалом квантовой теории, которая предсказывала, что эффект не может наблюдаться ввиду большого импульса отдачи, получаемого ядром при испускании гамма-кванта и меняющего частоту излучения, исключая его резонансное поглощение другим ядром [135]. Но, вопреки квантовой теории, эффект Мёссбауэра всё же был открыт на опыте, в очередной раз посрамив кванторелятивистов и доказав, что излучение исходит не отдельными порциями-квантами, а — классической сферической волной, симметрично расходящейся во все стороны и потому не вызывающей отдачи. Также, именно эффект Мёссбауэра позволяет установить важную связь строения молекул, атомов, их электронных оболочек и оптических спектров — с ядерными свойствами этих атомов и спектром их гамма-излучения, о чём говорилось выше (§ 3.6) и ещё будет сказано ниже (§ 4.16).