G-излучение. Эффект Мёссбауэра. Внутренняя конверсия.

g- излучение ядер является результатом электромагнитного взаимодействия.

Если ядро находится в возбужденном состоянии, то при g- излучении оно переходит в более низкие энергетические состояния без изменения А и Z, но с испусканием фотонов. Спектр энергии такого излучения дискретен и лежит в пределах от 10 кэВ до 3 МэВ, а длины волн лежат в пределах от 0,1 до 4×10^–4 нм. Возбужденное ядро может возникнуть вследствие b-распада, захвата нейтрона, a-распада и т.д.

g-переходы подчиняются правилам отбора, которые следуют из закона сохранения энергии, момента импульса и четности. Полный момент фотона должен удовлетворять соотношению:

                              или ½I_i –I_f½£ J_g £ ½I_i + I_f ½,                          (1)

где I_i , I_f – полные моменты начального и конечного положения ядра, между которыми происходит переход. Спин фотона равен 1. Закон сохранения четности требует выполнение равенства:

                                                        h_i = h_f ×h_γ                                                     (2)

где h_f, h_i – четности конечного и начального состояния ядра.

Закон сохранения энергии:

                                                   E_i = E_f + E_g + T,                                                (3)

где Т – энергия ядра отдачи.

Отметим, что свободный нуклон не может испускать γ-квант, т. к. это противоречит законам сохранения энергии и импульса. Т. е., в отличие от β-распада, γ-излучение является внутриядерным, а не внутринуклонным процессом. Времена жизни g-активных ядер в среднем намного меньше времени жизни ядер по отношению к a- и b-распадам и составляют от 10^–7 до 10^–15 с. Вместе с тем, существуют g-активные ядра, имеющие очень большие времена жизни. Такие долгоживущие возбужденные состояния ядер называются изомерами. Явление изомерии было открыто в 1921 году О. Ганом. Сейчас известно около сотни изомеров, рекордсменом среди них является изотоп нептуния , который имеет время жизни около 5000 лет. Долгое время жизни изомеров объясняется тем, что ядра оказываются в состояниях, переходы между которыми разрешены правилами (1) – (3), но маловероятны.

Отметим, что γ-кванты больших энергий рождаются также при распадах элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося пи-мезона π⁰→2γ рождаются γ-кванты с энергиями около 70 МэВ. γ-излучение может появиться также при прохождении быстрых электронов через вещество. При этом происходит торможение электронов в кулоновском поле ядер. Спектр γ-излучения в этом случае непрерывный. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное излучение до нескольких десятков ГэВ.

В 1958 году было обнаружено резонансное поглощение γ-лучей, которое получило название эффект Мёссбауэра по имени ученого, сделавшего открытие. Суть эффекта состоит в том, что одно ядро атома испускает фотон с энергией Е_g = Е_m –Е_n, переходя с высшего уровня m на низший уровень n, а другое такое же ядро может поглотить этот фотон, переходя с уровня n на уровень m. Подобное явление было уже известно в оптике и наблюдалось для атомов, но наблюдение такого явления для ядер было затруднено. Это связано с тем, что при излучении g-кванта ядро приобретает некоторую кинетическую энергию Т (или энергию отдачи), из-за чего энергия γ-кванта уменьшается на величину ΔЕ = Т.

Другое такое же неподвижное ядро может поглотить энергию Е_g = Е_m – Е_n – Т только в том случае, если величина кинетической энергии Т сравнима с шириной возбужденного уровня этого ядра Г = h/t, т. е DE £ G (t– время жизни возбужденного уровня).

Для оптического резонанса условие DE £ G выполняется всегда, но для излучения ядер нарушается, так как величина Е_m – Е_n имеет большие значения (~1 МэВ). Поэтому наблюдение резонансного поглощения свободных ядер невозможно.

Мёссбауэр определил условия, при которых может наблюдаться резонансное поглощение g-квантов ядрами. Для этого необходимо перейти от свободных ядер к сильно охлажденным ядрам, находящимся в кристалле. В этом случае при испускании фотона импульс отдачи передается не отдельному ядру, а всему кристаллу, масса которого значительно больше массы отдельного ядра. Тогда DE станет небольшой величиной и сравнится с Г. Для уменьшения величины DE источник g-квантов закрепляют на движущемся устройстве и подбирают соответствующую скорость движения так, чтобы DE компенсировалось эффектом Доплера. Ширина ядерных уровней Г мала, поэтому источник надо перемещать со скоростью, которая составляет доли сантиметра в секунду.

Эффект Мёссбауэра уникален, так как позволяет измерять очень малые изменения энергии. Мерой точности этого эксперимента является величина DE/Г, которая может быть доведена до значений 10^–15 –10^–17. Этот эффект применяется для определения молекулярной структуры химических соединений, анализа физических и химических свойств кристаллов, имеет многочисленные применения в медицине и биологии. Основное применение эффекта Мёссбауэра состоит в том, что с его помощью можно определить ничтожное изменение энергии, которое другими методами зафиксировать невозможно. Например, с его помощью удалось определить гравитационное смещение спектральных линий, предсказанное теорией относительности. По этой теории фотон, движущийся вертикально в гравитационном поле Земли при прохождении расстояния h меняет свою энергию Е на величину

                                                     ΔЕ = .                                                   (4)

Изменение энергии проявляется в изменении его частоты. При падении вниз частота увеличивается (фиолетовое смещение), при движении вверх – уменьшается (красное смещение).

Относительное изменение энергии фотона составляет

                                                       .

Для компенсации изменений частоты источник должен двигаться со скоростью v ~cΔE/E. Для надежного обнаружения гравитационного смещения необходимо было измерять изменения энергии с погрешностью 10^–11 эВ.

Для g-излучения имеется конкурирующий процесс, роль которого возрастает при повышении энергии перехода Ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может перейти в основное состояние не только излучая g-квант, но и передавая энергию возбуждения K-, L-, M-электрону атомной оболочки. Этот процесс называется внутренней конверсией, а электроны – электронами внутренней конверсии. Внутренняя конверсия может происходить не только одновременно с γ-излучением, но и без него (например, в случае когда испускание γ-квантов запрещено). При внутренней конверсии испускается электрон, энергия которого равна энергии перехода ядра, уменьшенной на энергию связи e₀ электрона в атомной оболочке: Е_m – Е_n – e₀. Энергия таких электронов имеет определенное значение и этим они отличаются от электронов, возникающих при b-распаде, которые имеют непрерывный спектр. При внутренней конверсии ядро элемента не превращается в другое ядро, а остается тем же самым. Если энергия возбуждения ядра достаточно велика (превосходит удвоенную массу электрона 2m_ec² т. е. 1,02 МэВ), то становится возможной парная конверсия. В этом случае испускается пара электрон-позитрон. При внутренней конверсии наблюдается еще рентгеновское излучение, которое возникает при переходе электрона из наружной оболочки в К- или L-оболочку на место вылетевшего из атома электрона.