Процесс испускания кванта сопровождается отдачей. Все знают, что если выстрелить из ружья, находясь в лодке, то за счет отдачи лодка начнет двигаться в сторону, противоположную выстрелу, и приобретает некоторую кинетическуюэнергию, энергию отдачи. Если стрелять на лодке не из ружья, а из пушки, то отдача и энергия отдачи возрастают. Так же обстоит дело с отдачей при испуска­нии квантов. Причем если отдачу при испускании возбужденным томом фотона сравнить с отдачей, связанной с выстрелом из ружья, то отдачупри испускании гамма-кванта необходимо будет сравнить с отдачей лодки, вызванной выстрелом из пушки. Это объясняется тем, что энергия гамма-кванта гораздо больше энергии фотона, а поэтому и отдача в последнем случае оказывается намного больше.

Чтобы разобраться все же с тем, как можно объяснить очень большую величину резонансного поглощения квантов, полученную Массбауэром, обратимся опять к нашему примеру стрельбы из ру­жья и пушки. А что будет с отдачей, если пушка выстрелит не с лодки, а с баржи или военного корабля? Каждый ответит, что от­дачи не будет заметно. Может ли только что приведенный факт иметь отношение к резонансному поглощению квантов? Оказывается, да.Выше, говоря об отдаче при испускании гамма-кванта, мы имели в виду, что отдачу получает отдельное атомное ядро, и поэтому энергия отдачи E_r(расстройка приемника и передатчика) оказывается достаточно большой, а резонансное поглощение ничтожно малым.

Чтобы подробнее разобраться в причинах отличия результатов опыта Мессбауэра от соответствующих результатов опытов по резонансному поглощению света, рассмотрим испускание фотона отдельным атомом. Начнем с испускания фотона покоящимся атомом массы М. Как мы уже видели, за счет отдачи при испускании фото­на покоящийся до этого атом приобретает отличную от нуля скорость и вместе с ней энергию отдачи E_R, равную где р—импульс отдачи. Из закона сохранения энергии вытекает, что сум­ма энергии отдачи E_Rи энергии фотона £_ф равна энергии возбуж­денного уровня Е. Поэтому энергия фотона оказывается меньше энергии возбужденного уровня Е и равна:

Е_ф = E-E_r. (1)

Второе чрезвычайно важное обстоятельство, которое нужно учесть, заключается в том, что атомы находятся в постоянном тепловом движении. Мы же пока рассматривали испускание и погло­щение фотонов покоящимися атомами.

Начиная свои эксперименты по поглощению гамма-излучения ядер изотопа иридия Ir 191, Мессбауэр предполагал, что резонансное поглощение гамма-квантов аналогично рассмотренному резонансному поглощению фотонов, разница заключалась только в энергии квантов и энергии отдачи.

Разобравшись качественно, в чем сущность открытия Мессбауэ­ра, мы теперь можем понять, почему это открытие (эффект Мессбау­эра) столь быстро получило всеобщее признание и нашло многочис­ленные приложения в самых разнообразных научных исследова­ниях. Решающим фактором для этого является необычайно высокая монохроматичность мессбауэровского излучения (гамма-квантов, испущенных без отдачи).

Используя эффект Мессбауэра, удалось экспериментально подтвердить в земных условиях вывод общей теории относительности о красном смещении фотона. Красным смещением называют изме­нение частоты кванта в поле тяжести. До этого считалось, что в связи с малостью эффектов общей теории относительности ее про­верка требует космических масштабов.

Успешные применения эффекта Мессбауэра в химии связаны с тем, что энергия мессбауэровских квантов зависит от плотности атомных электронов в месте расположения ядра. Выше мы пред­полагали, что и источник и поглотитель мессбауэровского излуче­ния состоят из одного и того же химического соединения, поэтому отмеченная зависимость никак не проявлялась в мессбауэровских спектрах. Рассмотрим теперь случай, когда в качестве источника и поглотителя используются различные химические соединения.

Исключительная узость мессбауэровской линии (малая величина естественной ширины ядерного уровня Г) позволяет использовать резонансное поглощение гамма-квантов для изучения очень малых взаимодействий ядра с электрическими и магнитными полями, существующими в кристалле, так называемых сверхтонких взаимодействий. Магнитное сверхтонкое взаимодействие совершенно анало­гично хорошо известному взаимодействию магнита с магнитным полем, которое, в частности, поворачивает стрелку компаса в магнит­ном поле Земли и ориентирует ее в направлении с севера на юг. Атомное ядро в магнитном поле ведет себя как миниатюрный магни­тик, полюса которого, подобно стрелке компаса, стремятся ориен­тироваться по полю. Силу этого своеобразного ядерного магнита характеризуют так называемым магнитным моментом ядра. Чем боль­ше магнитный момент ядра, который обычно обозначают буквой тем сильнее сверхтонкое магнитное взаимодействие ядра с маг­нитным полем. В результате магнитного сверхтонкого взаимо­действия ядерные энергетические уровни расщепляются на под­уровни. Для изотопа железа Fe⁵⁷ это расщепление изображено на ри­сунке 3.10.

Выше речь шла о мессбауэ­ровских экспериментах по пог­лощению. В них детектор гамма- излучения (рис. 3.5) регистриру­ет ослабление пучка гамма-кван­тов в зависимости от относи­тельной скорости источника и поглотителя. Кроме эксперимен­тов по поглощению, выполняют­ся эксперименты по резонанс­ному рассеянию гамма-излуче­ния. Резонансное рассеяние обычно называют резонансной флюоресценцией. В этом случае регистрируется зависимость чис­ла резонансно рассеянных гам­ма-квантов от относительной скорости источника и поглоти­теля. Схема эксперимента по рассеянию и типичный мес- сбауэровский спектр рассеяния показаны на рисунках 3.12 и 3.13 (соответственно).