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.
В случае фотонов естественная ширина возбужденного атомного уровня Г больше энергии отдачи ER. На рисунке 3.2, в ему должно соответствовать значительное перекрытие кривых при любых температурах (этот случай на рисунке не показан), а поэтому и значительна резонансное поглощение при любых температурах. Для резонансного поглощения гамма-квантов энергия отдачи ER оказывается больше естественной ширины Г возбужденного ядерного уровня (рисунок 3.2 относится именно к случаю ER > Г). В этом случае (это видно из рисунка 3.2) кривые испускания и поглощения при низких температурах практически не перекрываются, т. е. при низких температурах резонансное поглощение практически отсутствует.
За счет повышения температуры в связи с увеличением допплеровской ширины Гд можно достичь большего перекрытия кривых (рис. 3.2, в) и тем самым увеличить резонансное поглощение гамма- квантов до уровня, позволяющего обнаружить это явление на эксперименте. Приблизительно так рассуждал Мессбауэр, начиная исследовать резонансное поглощение гамма-квантов и его температурную зависимость. Надо, однако, отметить, что и при высоких температурах перекрытие кривых оказывается незначительным, в связи с этим опыты по резонансному поглощению ядерного гамма- излучения до открытия Мессбауэра представлялись очень сложными, а само явление не находило сколько-нибудь широкого применения.
Решающим обстоятельством в экспериментах Мессбауэра оказалось то, что ядра изотопа Iг 191 как в источнике излучения, так и в поглотителе входили в состав кристалла. А как мы уже выяснили, и этом случае испускание и поглощение гамма-квантов может происходить без отдачи и энергия гамма-кванта при этом точно совпадает с энергией возбужденного ядерного уровня £.
В этом легко убедиться. Действительно, в случае когда отдачу воспринимает весь кристалл, в формуле (2) для ER надо подставить в качестве М массу всего кристалла, т. е. очень большую величину (напомним, что в одном кубическом сантиметре кристаллического вещества около 1024 атомов). Поэтому энергия отдачи ER ничтожно мала, ею можно пренебречь, и энергия испущенного кванта совпадает с энергией возбужденного ядерного уровня.
Таким образом, в спектре поглощения и испускания гамма-квантов имеется несмещенная линия при энергии Е. Однако не все гамма-кванты испускаются и поглощаются в кристалле без отдачи, но нам важно, что в целом спектр испускания и поглощения гамма-квантов в кристалле отличен от спектров, изображенных на рисунке 3.2, и выглядит так, как это показано на рисунке 3.3.
Пытаясь выяснить, почему столь большим оказалось резонансное поглощение в опытах Мессбауэра, мы оставляли в стороне вопрос об «аномальной» температурной зависимости резонансного поглощения гамма-квантов. Теперь же, когда физическая причина большой величины резонансного поглощения ясна — это испускание и поглощение гамма-квантов в кристалле без отдачи, — понять причину уменьшения резонансного поглощения с увеличением температуры довольно просто.
Рис. 3.3. Вероятность резонансного испускания и поглощения гамма- квантов ядром в кристалле в зависимости от энергии. При Е выделена линия, соответствующая испусканию и поглощению гамма-кванта без отдачи. Сплошная линия описывает спектр с учетом квантовомеханических эффектов, пунктирная — спектр в классическом приближении.
Качественно ясно, что чем жестче связаны атомные ядра друг с другом в кристалле, тем легче при испускании кванта одним ядром отдача может быть воспринята всеми ядрами кристалла. Известно, что при повышении температуры связь атомов (и атомных ядер) в кристалле уменьшается. Например, при температуре плавления кристалла связи оказываются уже недостаточными, чтобы удерживать атомы на своих местах в кристалле, и кристалл превращается в жидкость. Поэтому легко понять, что доля гамма-квантов, испущенных и поглощенных без отдачи (высота несмещенной линии при энергии Е на рисунке 3.3), уменьшается при повышении температуры и уменьшается наблюдаемое на эксперименте резонансное поглощение.
Выше, рассматривая испускание и поглощение фотона отдельным атомом, мы выяснили, что чем больше энергия фотона, тем больше энергия отдачи ER и тем меньше должно быть резонансное поглощение. Уменьшение резонансного поглощения с возрастанием энергии наблюдается также и для гамма-квантов. Это объясняется тем, что чем больше энергия возбужденного ядерного уровня Е, а значит, и энергия гамма-квантов, тем меньшая доля квантов испускается и поглощается в кристалле без отдачи. Практически удается наблюдать эффект Мессбауэра для ядерных уровней с энергией менее 200 кэв.