МЕССАПЫ

МЕССАПЫ Мессапии (лат. Mes-sapii),
древнее племя, жившее на Ю. Италии (в юж. части совр. области Апулия).
Обнаруженные в 1-й пол. 20 в. в Апулии сосуды местного произ-ва со знаками
критского линейного письма А подтверждают версию Геродота ("История", VII,
с. 170) и точку зрения В. И. Модесто-ва ("Введение в римскую историю",
ч. 2, 1909, с. 101 и далее) о переселении М. с о. Крит в 10-9 вв. до н.
э.



МЁССБАУЭР (Mossbauer) Рудольф Людвиг
(р. 31.1.1929, Мюнхен), немецкий физик (ФРГ). Окончил Высшее технич. уч-ще
в Мюнхене (1955). В 1955-57 докторант при Ин-те Макса Планка в Гейдельберге,
в 1957-59 сотрудник Высшего технич. уч-ща в Мюнхене. С 1960- в Калифорнийском
технологич. ин-те (с 1961 проф.). С 1965 проф. Технич. высшей школы в Мюнхене.
Работы в области ядерной физики и физики твёрдого тела. В 1958 открыл явление
резонансного поглощения у-квантов атомными ядрами твёрдого тела, не сопровождающееся
изменением внутр. энергии тела (Мёссбауэра эффект). Нобелевская
пр. (1961).

Соч.: Kernresonanzf luoreszenz von Gam-(nastrahlung
in Ir^m, "Zeitschrift fur Physik", 1958, Bd 151, H. 2, S. 124-43;
Kernresonanz-absorption von Y-Strahlung in Ir¹", "Zeitschrift
fur Naturforschung", 1959, Bd 14 a, S. 211 - 16; в рус. пер. - Резонансное
ядерное поглощение 7-квантов в твердых телах без отдачи, "Успехи физических
наук", 1960, т. 72, в. 4, с. 658 - 71.



МЁССБАУЭРА ЭФФЕКТ, резонансное поглощение
7-квантов атомными ядрами, наблюдаемое, когда источник и поглотитель у-излучения
- твёрдые тела, а энергия 7-квантов невелика (150 кэв). Иногда М. э. наз.
резонансным поглощением без отдачи, или ядерным гамма-резонансом (ЯГР).

При облучении вещества у-квантами наряду
с обычными процессами взаимодействия (см. Гамма-излучение) возможно
резонансное поглощение у-квантов ядрами, при к-ром у-квант исчезает, а
ядро возбуждается, т. е. переходит в состояние с большей внутр. энергией.
Это явление аналогично резонансному поглощению световых квантов (фотонов)
атомами
(см. Атом, Квантовая электроника). Необходимое условие резонансного
поглощения состоит в том, чтобы энергия, к-рую квант расходует на возбуждение
ядра, равнялась бы в точности энергии квантового перехода,
т. е.
разности внутр. энергий ядра в возбуждённом и основном состояниях. На первый
взгляд это условие автоматически удовлетворяется, когда излучающие и поглощающие
ядра одинаковы (рис. 1). Однако у-квант с энергиейЕ обладает импульсом
р
= Е/с (где с - скорость света, см. Корпускулярно-волновой
дуализм), и по закону сохранения импульса при излучении или поглощении
кванта ядром последнее испытывает отдачу. Излучающее ядро массы М, получив
импульс р, приобретает кинетич. энергию ДЕ = р²/2М = Е²/2Мс².
Т. о., часть энергии у-перехода трансформируется в кинетическую энергию
ядра и энергия испущенного кванта меньше полной энергии у-перехода на величину
ДЕ. Такая же энергия ДЕ передаётся свободному (покоящемуся) ядру и в процессе
поглощения. Поэтому для достижения резонанса падающий на ядро у-квант должен
иметь энергию на величину ДЕ большую, чем энергия перехода. В результате
линии испускания и поглощения оказываются смещёнными друг относительно
друга на величину 2ДЕ = Е/Мс2 (рис. 2).

Рис. 1. Схематическое изображение процессов
излучения и резонансного поглощения у-кван-тов; излучающее и поглощающее
ядра одинаковы, поэтому энергии их возбуждённых состояний Е' и Е"
равны.

Рис. 2. Смещение линий испускания и поглощения
относительно энергии Е у-пере-хода; Г-ширины линий.

Величина ДЕ составляет весьма небольшую
долю от энергии перехода Е, однако ДЕ всегда значительно превосходит ширину
линии излучения. Поэтому линии испускания и поглощения почти не перекрываются
и вероятность резонансного поглощения у-квантов чрезвычайно мала. Напр.,
для у-излучения 14,4 кэв (ядра ³⁷Fe) ДЕ2-10³эв,
тогда
как естеств. ширина линии Г 4,6-10⁹ эв
(см.
Ширина
спектральных линий).

Обычно ядра входят в состав твёрдых тел
или жидкостей, т. е. не являются свободными, однако в большинстве случаев
потеря энергии ДЕ из-за отдачи практически не отличается от рассмотренного
выше случая свободных и неподвижных ядер. Кроме того, ширины линий у-излучения
обычно существенно превосходят естественные ширины Г вследствие допле-ровского
уширения, возникающего при тепловом движении атомов (см. Доплера эффект).
Однако
при комнатной темп-ре перекрытие линий испускания и поглощения остаётся
всё же незначительным. При наблюдении резонансного поглощения света атомами
аналогичная трудность, как правило, не возникает: из-за малой энергии фотона
энергия отдачи мала и смещения линий испускания и поглощения незначительны.

Чтобы сделать резонансное поглощение у-квантов
наблюдаемым, приходится искусственно увеличивать перекрытие линий испускания
и поглощения. Для этого используют сдвиг линий за счёт эффекта Доплера,
при встречном движении излучающего и поглощающего ядер. В осуществлённых
экспериментах необходимая скорость движения (сотни м/сек) сообщалась
одним из трёх способов: путём механич. перемещения источника или поглотителя;
за счёт отдачи, испытываемой ядром, если излучению у-кванта предшествует
а- или (j-распад; за счёт нагревания источника и поглотителя до высокой
темп-ры.

В 1958 Р. Мёссбауэр обнаружил, что
для ядер, входящих в состав твёрдых тел, при малых энергиях у-переходов
может происходить испускание и поглощение у-квантов без потери энергии
на отдачу. В спектрах испускания и поглощения наблюдаются несмещённые линии
с энергией, в точности равной энергии у-пере-хода, причём ширины этих линий
равны (или весьма близки) естественной ширине Г. В этом случае линии испускания
и поглощения перекрываются, что позволяет наблюдать резонансное поглощение
у-квантов.

Это явление, получившее наименование М.
э., обусловлено коллективным характером движения атомов в твёрдом теле.
Благодаря сильному взаимодействию атомов в твёрдых телах энергия отдачи
передаётся не отд. ядру, а превращается в энергию колебании кристаллической
решётки; иными словами, отдача приводит к рождению фононов. Но
если энергия отдачи (рассчитанная на одно ядро) меньше ср. энергии фонона,
характерной для данного кристалла, то отдача не каждый раз будет приводить
к рождению фонона. В таких "безфононных" случаях отдача не изменяет внутр.
энергии кристалла. Кинетическая же энергия, к-рую приобретает кристалл
в целом, воспринимая импульс отдачи у-кван-та, пренебрежимо мала. Передача
импульса в этом случае не будет сопровождаться передачей энергии, а поэтому
положение линий испускания и поглощения будет точно соответствовать энергии
Е перехода.

Вероятность такого процесса достигает неск.
десятков %, если энергия у-пере-хода достаточно мала; практически М. э.
наблюдается только при Е 150 кэв (с увеличением Е вероятность
рождения фононов при отдаче растёт). Вероятность М. э. сильно зависит также
от темп-ры. Часто для наблюдения М. э. необходимо охлаждать источник y-квантов
и поглотитель до темп-ры жидкого азота или жидкого гелия, однако для у-перехо-дов
очень низких энергий (напр., Е = = 14,4 кэв для уперехода ядра ⁵⁷Fe
или 23,8 кэв для у'-перехода ядра ¹¹⁹Sn) М. э. можно
наблюдать вплоть до темп-р, превышающих 1000 "С. При прочих равных условиях
вероятность М. э. тем больше, чем сильнее взаимодействие атомов в твёрдом
теле, т. е. чем больше энергия фононов. Поэтому вероятность М. э. тем выше,
чем больше Дебая температура кристалла.

Существ, свойством резонансного поглощения
без отдачи, превратившим М. э. из лабораторного эксперимента в важный метод
исследования, является чрезвычайно малая ширина линии. Отношение ширины
линии к энергии у-кванта при М. э. составляет, напр., для ядер ⁵⁷Fe
величину 3*10¹³, а для ядер ⁶⁷Zn 5,2-10-¹⁶.
Такие ширины линий не достигнуты даже в газовом, лазере, являющемся
источником самых узких линий в инфракрасном и видимом диапазоне электромагнитных
волн. С помощью М. э. оказалось возможным наблюдать процессы, в к-рых энергия
у-кванта на чрезвычайно малую величину (Г или даже небольших
долей Г) отличается от энергии перехода ядер поглотителя. Такие изменения
энергии приводят к смещению линий испускания и поглощения друг относительно
друга, что влечёт за собой изменение величины резонансного поглощения,
к-рое может быть измерено. Возможности методов, основанных на использовании
М. э., хорошо иллюстрирует эксперимент, в к-ром удалось измерить в лабораторных
условиях предсказанное относительности теорией изменение частоты
кванта электромагнитного излучения в гравитац. поле Земли. В этом эксперименте
(Р. Паунда и Г. Ребки, США, 1959) источник у-излучения был расположен на
высоте 22,5 м над поглотителем. Соответствующее изменение гравитац.
потенциала должно было привести к относит, изменению энергии у-кванта на
величину 2,5*10¹³. Сдвиг линий испускания и поглощения оказался
в соответствии с теорией.

Под влиянием внутренних электрич. и магнитных
полей, действующих на ядра атомов в твёрдых телах (см. Кристаллическое
поле), а также под влиянием внешних факторов (давление, внешние магнитные
поля) могут происходить смещения и расщепления уровней энергии яд-рэ,
а
следовательно, изменения энергии перехода. Т. к. величины этих изменений
связаны с микроскопич. структурой твёрдых тел, изучение смещения линий
испускания и поглощения даёт возможность получить информацию о строении
твёрдых тел. Эти сдвиги могут

быть измерены с помощью мёссбауэровских
спектрометров (рис. 3). Если у-кванты испускаются источником, движущимся
со скоростью v относительно поглотителя, то в результате эффекта
Доплера энергия у-квантов, падающих на поглотитель, изменяется на величину
Еv/c
(для
ядер, обычно применяемых при наблюдении М. э., изменение энергии
Е на
величину Г соответствует значениям скоростей v от 0,2 до 10 мм/сек).
Измеряя зависимость величины резонансного поглощения от v (спектр
мёссбауэровского резонансного поглощения), находят то значение скорости,
при к-ром линии испускания и поглощения находятся в точном резонансе, т.
с. когда поглощение максимально. По величине v
определяют смещение
дельта Е между линиями испускания и поглощения для неподвижных источника
и поглотителя.

Рис. 3. Упрощённая схема мёссбауэровского
спектрометра; источник у-квантов с помощью механического или электродинамического
устройства приводится в возвратно-поступательное движение со скоростью
v
относительно
поглотителя. С помощью детектора у-излучения измеряется зависимость от
скорости v интенсивности потока y-квантов, прошедших через поглотитель.

На рис. 4 показан спектр поглощения, состоящий
из одной линии: линии испускания и поглощения не смещены друг относительно
друга, т. е. находятся в точном резонансе при v = 0. Форма наблюдаемой
линии может быть с достаточной точностью описана лоренцовой кривой (или
Брейта - Вигнера формулой) с шириной на половине высоты 2Г. Такой спектр
наблюдается только в том случае, когда вещества источника и поглотителя
химически тождественны и когда на ядра атомов в этих веществах не действуют
ни магнитное, ни неоднородное электрич. поля. В большинстве же случаев
в спектрах наблюдаются нсск. линий (сверхтонкая структура), обусловленных
взаимодействием атомных ядер с внеядерными электрич. и магнитными полями.
Характеристики сверхтонкой структуры зависят как от свойств ядер в основном
и возбуждённом состояниях, так и от особенностей структуры твёрдых тел,
в состав к-рых входят излучающие и поглощающие ядра.

Важнейшими типами взаимодействий атомного
ядра с внеядерными полями являются электрическое монопольное, электрическое
квадрупольное и магнитное диполь ное взаимодействия. Электрич. монопольное
взаимодействие представляет собой взаимодействие ядра с электростатич.
полем, создаваемым в области ядра окружающими его электронами; оно приводит
к возникновению в спектре поглощения сдвига линии 5 (рис. 4, б), если
источник и поглотитель химически не тождественны или если распределение
электрич. заряда в ядре неодинаково в основном и возбужденом состояниях
(см. Изомерия атомных ядер). Этот т. н. изомерный или химический
сдвиг пропорцио нален электронной плотности в область ядра, и его величина
является важной характеристикой химической связи ато мов в твёрдых
телах (см. Кристаллахи мия). По величине этого сдвига можно судить
об ионном и ковалентном характе ре хим. связи, об эффективных зарядах атомов
в хим. соединениях, об электро-отрицательности атомов, входящих в со став
молекул,
и
т. д. Исследование хим. сдвигов позволяет также получать сведе ния о распределении
заряда в атомных ядрах.

Рис. 4. Спектры мёссбауэровского резонансного
поглощения у-квантов: 1 - интенсивность потока у-квантов, прошедших
через поглотитель, v - скорость движения источника v-квантов; а
-
одиночные линии испускания и поглощения, не смещённые друг относительно
друга при v 0; б-изомерный пли химический сдвиг линии.
Сдвиг б пропорционален электронной плотности в области ядра и меняется
в зависимости от особенностей химической связи атомов в твёрдом теле; в
- квадрупольнын дублет, наблюдаемый для изотопов ⁵⁷Fe,¹¹⁴Sn.
^1L5Te
и др. Величина расщепления Д пропорциональна градиенту электрического поля
в области ядра; г-магнитная сверхтонкая структура, наблюдаемая в
спектрах поглощения для магнитоупорядоченных материалов. Расстояние между
компонентами структуры пропорционально напряжённости магнитного поля, действующего
на ядра атомов в твёрдом теле.

Электрич. квадрупольное взаимодействие
- взаимодействие квадруполъного момента ядра с неоднородным электрич.
полем приводит к расщеплению ядерных уровней, в результате чего в спектрах
поглощения наблюдается не одна, а неск. линий. Напр., для ядер ⁵⁷Fe,
¹¹⁹Sn
и ¹²⁵Те в спектрах поглощения наблюдаются две линии (к в а д
р у п о л ь н ы и дублет, рис. 4, в). Разность энергии между компонентами
дублета Д пропорциональна произведению квадрупольного момента ядра на градиент
электрпч. поля в области ядра. Т. к. величина градиента электрич. поля
является характеристикой симметрии зарядов, окружающих ядро в твёрдом теле,
то исследование квадрупольного взаимодействия позволяет получить информацию
об электронных конфигурациях атомов и ионов, об особенностях структуры
твёрдых тел, а также о квадрупольных моментах атомных ядер.

Магнитное дипольное сверхтонкое взаимодействие
обычно наблюдается в магнитоупорядоченных (ферро-, анти-ферро-, ферримагнитных)
веществах, в к-рых на ядра атомов действуют сильные магнитные поля Н,
достигающие
величины 10⁶ э (см. Магнетизм, Ферромагнетизм
и др.).
Энергия магнитного дипольного взаимодействия пропорциональна произведению
магнитного момента ядра на Н и зависит от ориентации магнитного
поля. Поэтому магнитное дипольное взаимодействие приводит к расщеплению
основного и возбуждённых уровней ядер, в результате чего в спектре поглощения
наблюдаются неск. линий, число к-рых соответствует числу возможных у-переходов
между магнитными подуровнями основного и возбуждённых состояний (см. Зеемана
эффект). Напр., для ядра ⁵⁷Fe число таких переходов равно
6 (рис. 4, г). По расстоянию между компонентами магнитной сверхтонкой
структуры можно определить напряжённость магнитного поля, действующего
на ядро в твёрдом теле. Величины этих полей очень чувствительны к особенностям
электронной структуры твёрдого тела, к составу магнитных материалов, поэтому
исследование магнитной сверхтонкой структуры широко используется для изучения
магнитных свойств кристаллов.

Важной для физики твёрдого тела характеристикой
М. э. является также его вероятность. Измерение вероятности М. э. и её
зависимости от темп-ры позволяет получить сведения об особенностях взаимодействия
атомов в твёрдых телах и о колебаниях атомов в кристаллич. решётке. Измерения,
в к-рых используется М. э., отличаются высокой избирательностью, т. к.
в каждом эксперименте резонансное поглощение наблюдается только для ядер
одного сорта. Эта особенность метода позволяет эффективно использовать
М. э. в тех случаях, когда атомы, на ядрах к-рых наблюдается М. э., входят
в состав твёрдых тел в виде примесей. М. э. успешно используется для исследования
электронных состояний примесных атомов в металлах и полупроводниках
и
для изучения особенностей колебаний примесных атомов в кристаллах.

М. э. находит также применение в биологии
(напр., исследование электронной структуры гемоглобина), в геологич.
разведке (экспресс-анализ руд), для целей химич. анализа, для измерения
скоростей и вибраций и т. п. М. э. наблюдался для 73 изотопов 41 элемента;
самым лёгким среди них является ⁴⁰К, самым тяжёлым - ²⁴³Аm.

Лит.: Эффект Мессбауэра. Сб. ст.,
под ред. Ю. Кагана, М., 1962; М ё с с б а-У э р Р., Эффект RK и его значение
для точных измерений, в сб.: Наука и человечество, М., 1962; Фрауэнфельдер
Г., Эффект Мессбауэра, пер. с англ., М., 1964; Вертхейм Г., Эффект Мессбауэра,
пер. с англ., М., 1966; Шпинель B.C., Резонанс гамма-лучей в кристаллах,
М., 1969; Химические применения мессбауэровской спектроскопии, пер. с англ.,
под ред. В. И. Гольданского [и др.], М., 1970; Эффект Мессбауэра. Сб. переводов
статей, под ред. Н. А. Бургова и В. В. Скляревского, пер, с англ., нем.,
М., 1969. Н. Н. Делягин.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я