Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Известно, что атомы наиболее интенсивно поглощают свет частоты, соответствующей переходу из основного состояния атома в ближайшее к нему возбужденное состояние. Это явление называют резонансным поглощением. Другими словами, фотоны, испущенные атомом при переходе из первого возбужденного состояния в основное, без всяких проблем поглощаются такими же атомами, поскольку их частоты практически совпадают. Иначе обстоит дело в случае излучения $\gamma$-квантов ядрами. Энергия и импульс $\gamma$-кванта во много раз больше, чем у фотона видимого света, поэтому значительно больше и энергия отдачи. Представим себе два одинаковых первоначально покоящихся ядра, одно из которых находится в основном состоянии, другое — в возбужденном с энергией возбуждения $E^{*}$. Переходя в основное состояние, возбужденное ядро испускает $\gamma$-квант с энергией $\hbar \omega$ и импульсом $\hbar \omega / c$, удовлетворяющим законам сохранения: где $K$ — энергия отдачи ядра. Из этих уравнений следует, что здесь $m$ — масса ядра. где $\Gamma$ — ширина возбужденного уровня $E^{*}$. Ширина же Г первого возбужденного уровня, время жизни которого $\tau \sim 10^{-7}$ с, согласно соотношению неопределенностей $\Delta E \cdot \Delta t \sim \hbar$ равна Таким образом, сдвиг $K$ не меньше $Г$, а наоборот, больше на пять порядков, что далеко перекрывает возможность резонансного поглощения. И тем не менее явление резонансного поглощения $\gamma$-лучей было обнаружено Мессбауэром (1958) на изотопе ${ }^{191} \mathrm{Ir}$. Это оказалось возможным только с ядрами, входящими в состав кристалла. При этом существует вероятность испускания $\gamma$-кванта ядром с отдачей, которую воспринимает не ядро, а весь кристалл в целом, не меняя своего внутреннего состояния (т. е. без возбуждения колебаний решетки). Масса кристалла несопоставимо велика по сравнению с массой отдельного ядра, поэтому энергия отдачи кристалла практически равна нулю. В результате частота испущенного $\gamma$-кванта не смещается относительно резонансного значения, и этот $\gamma$-квант может быть поглощен другим таким же ядром, тоже входящим в состав кристалла. В этом заключается суть эффекта Мессбауэра: испускание и поглощение $\gamma$-квантов без отдачи, т. е. резонансное. Этот эффект удается наблюдать только при очень низких температу$\mathrm{pax}$, но иногда и при комнатных температурах (в случае с $\mathrm{Fe}$ ). Эффект Мессбауэра наблюдают так. Источник $\gamma$-излучения приводят в движение с небольшой скоростью $v$ навстречу поглотителю или в обратном направлении. При этом измеряют скорость счета $\gamma$-квантов за поглотителем. Если $v Благодаря очень малому отношению ширины $\Gamma$ возбужденных эффект Мессбауэра дает уникальный метод измерения ничтожных изменений энергии, которые не могут быть измерены никаким другим методом. В частности, с помощью этого эффекта удалось обнаружить в лабораторных условиях гравитационное смещение спектральных линий (уменьшение частоты фотона при удалении его от источника тяготения). Для этого надо было измерить относительное изменение энергии фотона порядка $10^{-15}$ на базе около 20 м, что впервые и проделали Паунд и Ребка (1960). Рассмотрим этот вопрос более подробно. Найдем относительное уменьшение частоты $\gamma$-кванта (гравитационное смещение) при удалении его от поверхности Земли на $l \approx 20$ м. Считая, что $\gamma$-квант ведет себя подобно частице, обладающей гравитационной массой $\hbar \omega / c^{2}$, запишем, что прирацение энергии $\gamma$-кванта на пути $\mathrm{d} r$ равно работе гравитационной силы $F_{r}$ на этом пути: где $\gamma$ — гравитационная постоянная, $M_{3}$ — масса Земли; знак минус связан с тем, что проекция силы $F_{r}<0$. Разделив в (1) переменные $\omega$ и $r$, получим: Проинтегрируем это уравнение по частоте от $\omega_{0}$ до $\omega$ и по $r$ от радиуса Земли $R$ до $R+l$ : где $g-$ напряженность гравитационного поля ( $g=\gamma M_{3} / R^{2}$ ). поскольку $\mathrm{gl} / \mathrm{c}^{2} \ll 1$. Видно, что частота $\gamma$-кванта с удалением от поверхности Земли уменьшается. Несмотря на чрезвычайную малость этого смещения (сдвиг составлял сотую часть ширины линии), его удалось измерить с достаточной степенью точности и тем самым экспериментально в лабораторных условиях подтвердить наличие гравитационного (красного) смещения.
|
1 |
Оглавление
|