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.
Таким образом, легко понять, что при излучении энергия возбужденного атома или ядра не полностью передается кванту, а часть этой энергии тратится на отдачу, т. е. переходит в кинетическую энергию движения атома (или ядра). Если бы отдачи при излучении и поглощении квантов не существовало совсем, то энергия испущенного кванта совпадала бы с энергией возбужденного состояния Е и атом (или ядро)-поглотитель (приемник) излучения был настроенным в резонанс с атомом (или ядром) — источником излучения. Однако за счет отдачи энергия испущенного кванта всегда меньше, чем энергия Е на величину энергии отдачи ER.
Энергия, необходимая для поглощения кванта, оказывается на на ту же энергию отдачи ERбольше, чем Е (рис. 3.2, а). Дело тут в том, что при поглощении кванта атом или ядро также приобретают кинетическую энергию, ее тоже называют энергией отдачи, и она в точности равна ER.Поэтому, чтобы произошло поглощение кванта, его энергия должна быть на энергию отдачи Erбольше, чем Е. В случае поглощения отдача совершенно аналогична знакомому всем явлению: при прыжке человека с берега на неподвижную лодку лодка начинает двигаться и приобретает кинетическую энергию. В этом примере роль поглощаемого кванта играет человек.
Таким образом, за счет отдачи как при испускании, так и при поглощении точное условие резонанса нарушается. Тут уместно вспомнить, что с помощью радиоприемника, например, можно принимать передачу радиостанции, не обязательно настроившись точно на частоту этой станции. Прием передачи возможен и при небольшой расстройке от частоты радиостанции. В случае большой расстройки прием, разумеется, осуществить нельзя.
Совершенно аналогичная ситуация имеет место и при резонансном поглощении квантов. Резонансное поглощение квантов происходит не только при точном выполнении резонанса, но и при некоторой расстройке резонанса. Весь вопрос в том, насколько велика эта расстройка. В случае резонансного поглощения света из-за малости энергии отдачи ERрасстройка мала. Поэтому резонансное поглощение фотонов легко наблюдается, так же как при очень малой расстройке приемника относительно передающей станции громкость приема вполне достаточна, чтобы без напряжения слушать передачу.
Опыты по наблюдению резонансного поглощения гамма-квантов из-за большой величины энергии отдачи ERследует уподобить приему передачи при значительной расстройке от частоты передающей станции. В этом случае громкость приема будет незначительна, если шумы не заглушат передачу вообще.
Теперь становится ясной «нелепость» результатов эксперимента Мессбауэра. Используя ту же аналогию, их можно описать так. Вы собираетесь послушать передачу радиостанции, настроив приемник на частоту близкую, но заведомо не совпадающую с частотой передающей станции, заранее напрягаете слух и вдруг вместо еле различимых звуков слышите вполне громкую и четкую передачу. На смену первому недоумению к вам, скорее всего, придет убеждение, что вы сделали что-то не так. (Вряд ли кто-нибудь согласится с тем, что можно хорошо слышать станцию, не настроившись на нее.) Теперь вы можете представить себе, какие сомнения и чувства должны были охватить Мессбауэра после первых результатов его экспериментов.
Рис. 3.2. Энергетическое распределение резонансно испускаемых (слева) и поглощаемых (справа) фотонов.
По оси абсцисс отложена энергия фотона £ф, а по оси ординат W(Е) — число фотонов, испущенных (поглощенных) с энергией Е:
а) идеализированный случай нулевой ширины возбужденного уровня и отсутствия допплеровского уши- рения.
Линии испускания и поглощения не перекрываются. Резонансное поглощение отсутствует;
б) перекрытие линий испускания и поглощения за счет естественной ширины возбужденного уровня Г или за счет эффекта Допплера при нулевой естественной ширине возбужденного уровня;
в) перекрытие линий испускания и поглощения при наличии допплеровского уширения Гд. Перекрытие и полная ширина линии испускания и поглощения, равная Г + + Гд, зависят от температуры и приводят к температурной зависимости интенсивности резонансного поглощения.
Более высокой температуре соответствует большая допплеровская ширина (Г'д > Гд).