МЁССБАУЭРА ЭФФЕКТ. Известно, что, поглотив посту­пившую извне строго определенную порцию энергии, ядро атома приходит в возбужденное состояние — деформируется, пульсирует. Через какое-то время оно испускает гамма-кванты — фотоны большой энергии с высокой частотой элек­тромагнитных колебаний (см. Кванты, Теория квантов, Фотон), так как фотоны одновременно обладают свойствами и частицы, и волны. Эти колебания давно стремились исполь­зовать для измерения времени, ибо постоянство частоты такого излучения настолько велико, что значительно превосхо­дит все, с чем встречаются физики в других колебательных процессах. Нельзя даже представить себе иной механизм часов, обеспечивающий изменение хода на 1 сек за 100 000 лет.
Из теории ядерных процессов следует, что приемни­ком, отзывающимся на гамма-кванты определенной час­тоты, могут быть только ядра таких же атомов. Поглотив гамма-кванты, ядра атомов приемников должны прийти в возбужденное состояние и в свою очередь через долю секун­ды испустить гамма-кванты опять-таки той же самой час­тоты.
Короче говоря, когда одно ядро атома излучает фотоны (гамма-кванты), а другое их поглощает, то те и другие «ядер­ные часы» (ядро-излучатель и ядро-поглотитель) дают одина ковые показания, так как их частоты в точности совпадают. Но как только эти частоты расходятся, явление совпадения частот (резонанса) исчезает. Это свидетельствует о различ­ном ходе времени в двух местах: там, где излучатель, и там, где приемник.
Однако по ряду причин обнаружить такое (резонансное) поглощение долгое время не удавалось — слишком велика частота колебаний гамма-излучения и слишком мало время излучения. И только в 1958 г. немецкому физику Р. Мёссбауэ-ру удалось обнаружить существование резонанса между атомами радиоактивного и нерадиоактивного изотопов — же­леза-57, а затем применить данный эффект для измерения ничтожно малых отрезков времени. До открытия Мёссбауэ-ра это явление не удалось наблюдать только потому, что испускаемые ядром атома излучателя гамма-кванты в боль­шинстве случаев не были в состоянии возбудить ядра атомов поглотителя: в процессе излучения они теряли часть сво­ей энергии, вследствие чего их частота уменьшалась. По­чему?
Воспользуемся некоторой аналогией. Когда снаряд выле­тает из пушки, последняя испытывает отдачу, т. е. ей пере­дается определенная часть энергии, полученная снарядом при выстреле Аналогично этому вылетающий из ядра атома гам­ма-квант сообщает испустившему его ядру импульс отдачи, теряя при этом некоторую часть полученной кинетической энергии, в результате чего его частота уменьшается, и яд­ро атома приемника (вследствие нарушения условий резо­нанса) оказывается уже не в состоянии поглотить такой гамма-квант.
Дело можно поправить, если заставить излучатель и приемник излучения двигаться навстречу друг другу с такой скоростью, при которой частота гамма-кванта (а следователь­но, и его энергия) повысилась бы до резонансной частоты Это так называемый эффект Доплера, наблюдаемый, напри мер, при прохождении поезда. Когда поезд приближается к наблюдателю, частота колебаний (высота звука) его гудка заметно увеличивается, а при удалении поезда, наоборот, звучание гудка понижается (частота уменьшается). В случае с гамма-квантами частота меняется на долю, равную отно­шению скорости движения кванта к скорости света (300 ООО км1сек). Поэтому требуется очень большая скорость движения, чтобы можно было получить нужное повышение частоты кванта.
Потеря энергии снарядом может быть, однако, значитель­но уменьшена, если пушка при выстреле жестко закрепле­на на основании, имеющем большую массу.
Открытие, названное эффектом Мёссбауэра, и заключает­ся а том, что энергию отдачи, которую получает ядро атома излучателя при испускании гамма-кванта, можно резко умень­шить, если ядро связать с какой-либо большой массой, на­пример «встроив» его в кристалл. Тогда энергия отдачи рас­пределится между большим количеством атомов кристалла и не вызовет существенного их перемещения, вследствие чего частота испускаемого гамма-кванта будет соответство вать резонансной частоте ядра атома поглотителя. Анало­гичным образом можно закрепить и само ядро поглотителя.
Тогда излученный им гамма-квант может быть поглощен каким-то другим ядром или первоначальным излучате­лем.
Самое же важное в открытии резонансного поглощения без отдачи состоит в том, что оно позволяет обнаруживать изменение частоты за счет указанного выше встречного дви­жения (эффекта Доплера) уже при скорости в тысячные доли миллиметра в секунду! Это открывает возможности для со­вершенно неожиданных применений и позволяет наблюдать явления, которые ранее казались недоступными для экспе­риментов.