Введение

Эффект Мёссбауэра, представляющий собой явление резонансного взаимодействие гамма-квантов с ядрами ряда элементов таблицы Менделеева, наблюдается в ситуации, когда энергия отдачи ядра при поглощении гамма-кванта равна нулю. С точки зрения классической физики это в принципе невозможно, поскольку при столкновении двух массивных тел энергия отдачи каждого из них всегда имеет конечное значение, определяющее соответствующее изменение энергии для обоих тел. Более того, даже для квантовых объектов – таких как гамма-кванты и ядра любых элементов – классический вывод остается в силе и тогда, когда ядра элементов при взаимодействии с гамма-излучением находятся в свободном состоянии. Однако в том случае, когда взаимодействующие с гамма-излучением ядра элементов включены в состав твердых тел, ситуация может кардинально измениться. Это обусловлено с тем, что любые твердые тела, строго говоря, также представляют собой квантовые объекты с дискретным набором разрешенных энергетических уровней. А если энергия отдачи ядра имеет величину меньшую, чем разница в энергии соседних разрешенных уровней кристалла, то, согласно квантовым законам, такая энергия никак не может быть передана этому кристаллу. А это возможно лишь тогда, когда импульс отдачи передается всему кристаллу в целом. Поскольку же масса самого кристалла в сравнении с массой его отдельных ядер является практически бесконечной величиной, то и соответствующая энергия отдачи при взаимодействии гамма-квантов фактически со всем кристаллом становится равной нулю. Причем этот вывод справедлив как для процессов испускания ядром гамма-кванта (с энергией, определяемой разностью энергий возбужденного и основного энергетических состояний ядра в составе твердого тела), так и процессов поглощения гамма-кванта тождественным ядром, связанным в твердом теле. Принципиальной отличительной особенностью таких процесса излучения и поглощения гамма-квантов является то, что при совпадении соответствующих энергетических уровней ядер источника и поглотителя, сечение взаимодействия ядра с гамма-квантом резонансно возрастает и становится на много порядков величины больше в сравнении с обычными (нерезонансными) процессами взаимодействия гамма-излучения с веществом.

Такого рода резонансный процесс и был открыт немецким физиком Рудольфом Мёссбауэром в конце 50-х годов прошлого столетия, причем ценность его открытия состояла не только в резком увеличении сечения резонансного взаимодействия по сравнению с сечениями конкурирующих процессов взаимодействия гамма-излучения с твердыми телами. Главная и принципиальная особенность эффекта Мёссбауэра заключалась в том, что при таком безотдачном взаимодействии резонансного гамма-кванта с ядром, ширины линий резонансного поглощения и испускания становились практически равными естественной ширине Γ, определяемой лишь временем жизни возбужденного состояния ядра. При этом отношение к энергии Γ гамма-излучения E принимает типичные значения 10^-12…10^-13, что, по сравнению с разрешающей способностью по энергии обычных детекторов гамма-излучения в несколько процентов, означало скачкообразный прогресс в повышении точности измерения энергий электромагнитного излучения на 10 порядков величины и более! Именно благодаря этой особенности эффекта Мёссбауэра, всего через несколько лет после открытия, его автор получил Нобелевскую премию, став самым молодым лауреатом в ее истории.

Не удивительно, что мёссбауэровская спектроскопия получила быстрое развитие как в плане технической реализации методов наблюдения ядерного гамма-резонанса, так и в плане ее применений для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач.

В Белорусском государственном университете мёссбауэровская спектроскопия стала развиваться на кафедре ядерной физики физического факультета, начиная с 80-х годов прошлого столетия. Несмотря на сравнительно позднее включение в развитие и применения эффекта Мёссбауэра, лабораторией мёссбауэровской спектроскопии был внесен значительный вклад как в дальнейшее развитие методологии эффекта Мёссбауэра, так и в его применения при решении фундаментальных и прикладных задач. Фактически к концу 20 века кафедра ядерной физики БГУ стала одним из ведущих мировых научных центров в области методологии эффекта Мёссбауэра, решившим ряд значимых научных и научно-практических задач, в том числе:

• разработку нового метода накопления мёссбауэровских спектров с рекордной точностью измерения их характеристик;
• разработку метода мёссбауэровской концентратометрии для геологических исследований и его аппаратную реализация по заказу Министерства геологии Российской Федерации в концентратомерах оксидного олова в полевых условиях;
• разработку миниатюрного мёссбауэровского спектрометра для исследования поверхности Марса по заказу Института космических исследований Российской Академии наук;
• разработку серии оригинальных методов для повышения производительности трансмиссионных мёссбауэровских измерений и, совместно с Университетом Палацкого (Республика Чехия), их аппаратную реализацию в высокоэкспрессных мёссбауэровских спектрометрах, получивших награды (включая Гран-при) на международных выставках. Несколько десятков таких спектрометров были приобретены университетами и научными центрами в Японии, Израиле, ЮАР, Бразилии, Великобритании, Швеции и других странах.

По выполненным разработкам получено свыше 30 патентов и опубликовано несколько десятков статей в ведущих мировых физических журналах.

Одновременно с этим, в последние годы выполнен цикл работ по фундаментально-научным применениям эффекта Мёссбауэра, таким как исследование механизма высокотемпературной сверхпроводимости в сверхпроводниках на основе соединений железа, и применению эффекта Мёссбауэра для проверки следствий теории относительности в лабораторных условиях, где получен ряд новых и неожиданных научных результатов, обсуждаемых научной общественностью до настоящего времени.

Представляемый материал имеет целью освятить основные научно-практические и научные результаты, полученные лабораторией мёссбауэровской спектроскопии кафедры ядерной физики БГУ на протяжении последних тридцати лет.

В разделах 1-3 приводится общая информация об эффекте Мёссбауэра, методах его наблюдения и первичной интерпретации данных мёссбауэровской спектроскопии. В разделе 4 описывается вклад лаборатории в развитие экспериментальной техники эффекта Мёссбауэра и его практических применений, и в разделе 5 представлены результаты, полученные при выполнении экспериментов в области фундаментальной физики с использованием мёссбауэровской спектроскопии.

Оглавление

Читать on-line: