Время вспять, или Физик, физик, где ты был - [114]

*Ядра без отдачи

Есть область физики, в которой лично я почти ничего не сделал, но которая меня очень заинтересовала, как только она появилась — испускание и поглощение излучения атомными ядрами без отдачи, или, как это названо по имени физика, открывшего это явление, — эффект Мёссбауэра. Вот в чем заключается его принцип. Атомное ядро А может перейти из возбужденного состояния | е > в основное состояние | g >, испуская гамма-квант с энергией Е. Ядро В, находящееся в основном состоянии | g >, может поглотить этот квант и перейти в возбужденное состояние | е >. Это — явление резонансного поглощения, широко известное в оптике. Но в случае ядерного излучения появляется затруднение. Во время эмиссии, чтобы выполнялся закон сохранения количества движения, на отдачу ядра А уходит энергия R за счет кванта гамма-луча, который уносит лишь энергию E′ = (E — R). Аналогичное рассуждение показывает, что для возбуждения ядра В потребуется энергия E″ = (E + R). Получается расхождение в 2R между энергией луча и той, которая требуется для возбуждения ядра В. Таким образом, резонансное поглощение может произойти только в том случае, если уровни достаточно широки и энергия гамма-квантов достаточно «размазана», чтобы покрыть расхождение 2R. В оптическом резонансе так оно и есть, но не в ядерном, где уровни энергии гораздо ýже.

Например, для ядра ⁵⁷Fe его подробно изученный переход с энергией 14,4 кэВ имеет естественную ширину Д ≈ 4,6 10^-9 эВ, в то время как энергия отдачи R к 2 10^-3 эВ, т. е. на шесть порядков величины больше. Все это было известно до Мёссбауэра, и физики-ядерщики уже давно старались искусственно увеличить ширину перехода, сообщая ядрам кинетическую энергию порядка 2R. Это делалось увеличением температуры или источника, или поглотителя, или их обоих. Британский физик Филип Мун (Philip Moon) пытался даже передать ядрам источника кинетическую энергию 2R, помещая источник на окружности быстро вращающегося колеса, как будто метая гамма-частицу пращой.

В конце пятидесятых годов молодой немецкий физик Рудольф Мёссбауэр поставил опыт, в котором он понизил температуру источника (или поглотителя, не помню которого из них) радиоактивного изотопа ¹⁹¹Ir, вместо того чтобы ее повысить, как делали все, и к своему удивлению наблюдал, что поглощение вместо того, чтобы уменьшиться, как ожидалось, увеличилось. Его главная заслуга заключается в том, что он не только обнаружил, но и объяснил это замечательное явление.

На самом деле объяснение было известно и даже давно опубликовано, но не было замечено из-за необыкновенной слепоты всех тех, кто до сих пор занимался этим делом. Все рассуждения велись так, как будто радиоактивные атомы находятся в газе без взаимодействий. В твердом же теле, если энергия отдачи невелика по сравнению с энергией колебаний атомов в образце (что соответствует так называемой частоте Дебая), отдачу испытывает не атом, а весь образец, унося при этом энергию R′, которая пренебрежимо мала. Это верно и для поглотителя. Понижение температуры в эксперименте Мёссбауэра уменьшало вероятность испускания или поглощения фононов одновременно с отдачей ядра, что могло бы размазать необыкновенно узкое поглощение или испускание ядерного излучения.

Замечательно, что в 1939 году, за двадцать лет до открытия Мёссбауэра, Уиллис Лэмб (Willis Lamb) опубликовал полную теорию этого эффекта, правда для нейтронов, а не для гамма-квантов, но принцип там тот же. Что еще любопытней, это то, что Мун, тот, который метал гамма-кванты пращой, советовался с Пайерлсом в связи с этой проблемой и что тот рекомендовал ему почитать статью Лэмба. Что касается самого Лэмба, когда я однажды сказал ему в шутку: «Проморгали вы еще одну Нобелевскую» (первую он получил за несколько лет до того за открытие так называемого «лэмбовского сдвига», которое привело к возрождению квантовой электродинамики), он отозвался на эту дружескую шутку с горечью; очевидно, был не прочь получить вторую.

Два американских физика повторили эксперимент Мёссбауэра, подтвердили его результаты и опубликовали их в «Physical Review Letters», что, наконец, привлекло внимание всех к этому открытию, в том числе и мое. Замечательно, что вместо того, чтобы проделать опыт на каком-нибудь другом ядре, тем более, что на многих других эффект гораздо нагляднее, чем на ¹⁹¹Ir, они повторили опыт на том же ядре. Они просто не поверили результатам Мессбауэра и хотели показать их ошибочность.

Невероятная тонкость мёссбауэровских линий, как они теперь называются, привела к совершенно новому методу развертки. Хорошо известно, что из-за так называемого допплер-эффекта частота Ω источника, приближающегося к поглотителю со скоростью v, покажется поглотителю смещенной на Ω (v/с), где с — скорость света. Естественная ширина мёссбауэровской линии, скажем в ⁵⁷Fe, 2Д и 10^-9 эВ, и ее относительное значение, X = (2Δ/Ω), где Ω = 14,4 кэВ — энергия перехода, равно X ≈ 7 10^-13! Из этого следует, что изменение относительной скорости источника и поглотителя, необходимое, чтобы пройти через линию, равно ν = сХ = 3 10