Messbauer effekti

Atom yadrosi energiyasi, xuddi atom, molekula va boshqa kvant sistemalarniki kabi, faqat diskret qator qiymatlar olishi mumkin. Ruxsat etilgan energiyali holtalar orasidagi o‘tishlarda yadro elektromagnit to‘lqinlar nurlatadi. Bu to‘lginlarning chastotasi odatda shundayki, ular γ-nurlanishlar sohasida joylashgan bo‘ladi. Tegishli γ-kvantlar yuzdan bir necha millonlargacha elektron volt energiyaga ega bo‘ladi.

Bitta yadro shiqargan γ-nurlanish xuddi shunday boshqa yadro tomonidan yutiladimi? Go‘yo γ-kvant energiyasi aynan uyg‘ongan va asosiy (uyg‘onmagan) holatlar energiyalari farqiga teng va bunday kvantlar yadro tomonidan oson yutilishi lozim edi. Biroq odatda hω=E₁−E₀ shart bilan xarakatlanuvchi rezonans yutilish kuzatilmaydi. Buning sababi tepish energiyasidadir.

Miltiqdan otayotganda, o‘qning uchib chiqib ketishi barobarida, impulsning saqlanish qonuniga ko‘ra, miltiqning o‘zi ham orqaga tepadi va demak qandaydir energiya ham oladi.

Bunday holda Etep. tepki energiyasini yadro olganidan, γ-kvant energiyasi sathlarining energiyalari farqi E₁−E₀ dan kichik bo‘ladi. γ-kvant yutilganida uning impulsi yadroga beriladi va u harakatga keladi. Bunga ham energiya kerak bo‘ladi. Shuning uchun ham γ-kvant energiyasi yadroni uyg‘otish, unga ketakli E₁ energiya berish uchun yetarli bo‘lmaydi.

Har holda rezonans yutilishga erishish mumkinmi? Ma’lumki, miltiqning massasi qancha katta bo‘lsa, tepish energiyai shuncha kichik bo‘ladi. Buni impulsning va energiyaning saqlanish qonunlarida tushunib olish oson. Yadroning o‘zi nisbatan yengil va tepish energiyasining rezonans shartini buzadi. Agar atomlar (va demak yadrolar) o‘zaro mustahkam bo‘g‘langan krisall panjara hosil qilgan kristallni olsak-chi? Bunday sistemada tepish paytida impulsni butun kristallga uzatish mumkin bo‘lib qoladi. Bunda tepish energiyadi g‘oyat kichik bo‘lib, γ-kvantlarni rezonans yutish yuz beradi.

Aynan shunday effekt 1958-yilda olmon fizigi R.Messbauer tomonidan ochilgan bo‘lib, bu hodisa unig nomi bilan ataladi. Messbauer dastlabki tajribalarida suyuq azot haroratini 80 K gacha sovitilgan ¹⁹¹Ir radioaktiv manbadan foydalandi va bunda rezonans γ-kvantlar ulushi bir necha foizdan ortiq bo‘lmadi.

Nima uchun bunchalik oz kvantlar rezonansga tushardi? Nima uchun manbani bunchalik past haroratgacha sovitish lozim bo‘ldi? Gap shundaki, yadro kristall panjara tugunida turgan bo‘lsa-da, tepish paytida kristall atomlarning tebranishlari sodir bo‘lishi mumkin. Bunga han energiya sarflanishga to‘g‘ri keladi. Harorat pasayishi bilan jarayonning ehtimolligi kamayib boradi, lekin ¹⁹¹Ir uchun suyuq azot haroratida u kattadir Hozir xona haroratlarida rezonans γ-kvantlar ulushi deyarli yarmini tashkil qiladigan radioaktiv birikmalar ma’lum bo‘lib, shu sababli manbani kamdan-kam hollardagina sovitishga to‘g‘ri keladi.

Messbauer effekti qattiq jismlar xossalarini tadqiq qilishda qudratli qurol bo‘lib qoldi. Messbauernig g‘oyasi manbanig mexanik harakati yordamida rezonansni «buzish»dan iborat edi.

Har bir tebranish sistemasi tebranish sistemadining chastotasini hali rezonans kuzatilishi mumkin bo‘lgan chatotalar intervaliga nisbati — asllik bilan tavsiflanadi.masalan, tor bo‘lsa-da, chastotalarning muayyan intervalidagi barcha to‘lqinlarni «tutadi» va shu sababli, qo‘shni stantsiyalarda ba’zida ajralish oson bo‘lmaydi. Radio qabul qilgich apparat qanchalik yaxshi bo‘lsa, rezonans shunchalik o‘tkirroq va unung aslligi shunchalik yuqoriroq bo‘ladi.

Atom yadrosi ham muayyan asllikka ega bo‘ladi. Tepish bo‘lmasa ham, u (E₁−E₀) qiymat yaqinidagi biror chastotalar intervalida γ-kvantlarni yuta oladi. Xuddi shuningdek, γ kvantlarning nurlanishida ham chastotalarning bir oz «yoyilishi» sodir bo‘ladi. Boshqacha aytganda, uyg‘otilgan holatda G chiziqning muayyan kengligi mavjud bo‘ladi.

Odatda yadrolarda G ~10⁻⁸ eV. Bu ko‘pmi yoki ozmi? Bnga javob berish uchun γ-kvantlar energiyasi bilan taqqoslab ko‘rish lozim. Masalan, qalayning keng tarqalgan ¹¹⁹Sn izotopi radioaktiv manbai uchun tegishli aslllik 0.8·10¹² ga teng. Hech qaysi radio qabul qilgich bunday g‘oyat katta asllikka ega emas. Radiotexnik konturlarda eng yaxshi hollarda asllik bir necha yuzga erishadi xolos.

Xullas, γ-rezonans juda yuqori asllikka ega. Shuning uchun γ-kvantlar chastotasini biroz siljitishdayoq, rezonans yutilishi kuzatilmaydi. Nurlanish chastotasini Dopler effekti yordamida o‘zgartirish mumkin. Buning uchun manbani (yoki yutgichni) muayyan tezlik bilan harakatlantirish lozim.

Rezonansni buzish nima uchun nimaga kerak? Avvalo shunday usul bilan uyg‘otilgan sathning G chizig‘i kengligini oson aniqlash mumkin. Buning uchun Dopler formulasi yordamida rezonans kuzatiladigan tezliklar intervalini chastotalar intervaliga yoki γ-kvantlar energiyasi intervaliga o‘tkazib hisoblash lozim. Bu bilan kristallda yadronig «yashash sharoitlari» haqida muhim ma’lumotglarga ega bo‘lish mumkin.

Yadro o‘tishlari energiyasiga kristall ichidagi elektr va magnit maydonlar ta’sir ko‘rsatadi. Buni odatdagi usullar bilan aniqlab bo‘lmasdi. Messbauer effekti rekord sezgirlikka ega bo‘lganidan, chastotalarning tegishli siljishini aniqlash oson. Shunday qilib, Messbauer effekti energiya o‘zgarishlarini qayd qilishning g‘oyat qilish usulini berdi. Fanning butun boshli alohida bir bo‘limi — Messbauer spektroskopiyasi tarmog‘i mavjud bo‘lib, uning keyingi taraqqiyotiga ko‘plab boshqa olimlar katta xissa qo‘shdilar.

Messbauer effekti yordamida AQSH olimlari Paund va Rebek, laboratoriya sharoitida umumiy nisbiylik nazariyasining xulosalarini tasdiqlash imkoniga ega bo‘ldilar. Yorug‘lik kvanti (E=hω) gravitatsion maydonda tezlashib, o‘z energiyasini orttiradi va uning chastotasi spektrning «binafsha» qismi chetiga siljiydi. Aksincha, sekinlashayotib u spektrning «qizil» chetiga siljiydi. Yerning og‘irlik kichi maydonida vertikal bo‘yicha 10 metr masofada chastotaning nisbiy o‘zgarishi ~10⁻¹⁵ metrni tashkil qiladi. Messbauer effekti yordamida bunday siljishni sezish mumkinligi ma’lum bo‘ldi. Rezonans «buzilar ekan» va uni tiklash uchun manbani haqiqatan, atiga soniyaga bir necha mikrometrga teng tezlik bilan harakatlantirishga to‘g‘ri keladi. Bu kattalik aynan umumiy nisbiylik nazariyasidan kelib chiqadigan chastota siljishiga mos keladi.