Сигналы ядер

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Человек XX века проник в «неделимый» атом. Раскрытие тайн жизни атомов дало людям почти неограниченную мощь. И на этом пути нас ожидают новые открытия. Заставить каждый атом вещества служить человеку — вот благородная цель современной химии. Но для этого надо как можно больше узнать о свойствах атомов. И плохо было бы химии, не приди ей на помощь ядерная физика. Физики-ядерщики создали тончайшие «зонды» — методы, позволившие прощупать каждый атом, услышать биение его сердца — принять сигналы атомного ядра. Один из таких тонких методов был открыт молодым немецким физиком Рудольфом Мессбауэром.

Мы узнаем о жизни людей на далеких материках, на полярных и космических станциях, принимая радиосигналы их передатчиков. Ядра многих тел тоже испускают сигналы, и их тоже можно принимать. Сигналы эти разные, но сейчас нас интересует только один вид ядерных сигналов — гамма-кванты.

Мудреное название не должно вас смущать. Сигналы гамма-квантов — почти то же, что и обычные радиоволны. Только длина волны кванта в сотни миллиардов раз короче: мы ведь все-таки в мире мельчайших ядер. В то же время само слово «квант», по-латыни «количество», говорит о том, что ядро посылает сигналы отдельными порциями. Ядро, которое может выбрасывать кванты, называют возбужденным.

Можно привести очень грубое сравнение ядра с ружьем. Если в магазинной коробке ружья есть пули, то из него можно несколько раз выстрелить. Если ядро возбуждено, то оно может испустить гамма-кванты. Правда, в отличие от ружья, ядро имеет в своем распоряжении кванты различной величины. Но мы ведь предупреждены, что ружье — самое грубое сравнение.

После выстрела квантом энергия возбужденного ядра скачкообразно уменьшается. Начав «стрелять», ядро спешит испустить все кванты. При этом энергия ядра будет скачками уменьшаться ровно столько раз, сколько вылетит гамма-квантов. Они, как говорят, уносят энергию возбужденного ядра. И, наконец, ядро полностью выдыхается. Все гамма-кванты испущены. «Стрелять» больше нечем. По выражению физиков, такое «успокоившееся» ядро находится в основном состоянии. Ядра большинства окружающих нас тел находятся как раз в основном состоянии. Их энергия настолько мала, что они не могут испустить ни кванта.

В ЦЕЛЬ ИЛИ СКВОЗЬ ЦЕЛЬ

Чтобы ружье стреляло, его надо зарядить. Чтобы ядра выбрасывали гамма-кванты, их надо возбудить. Это можно сделать разными способами. Например, облучить вещество нейтронами. При этом его ядра возбуждаются.

Тела с возбужденными ядрами служат излучателями гамма-квантов. Но прежде чем выстрелить первым квантом ядро может прожить довольно много времени — часы, сутки, месяцы и даже годы. Зато, выстрелив первый раз, ядро, как правило, почти мгновенно испускает все кванты. Здесь, как в известной поговорке, последнее слово самое верное: последний квант стал самым интересным.

После того как последний квант испущен, его надо поймать, и подходящий приемник нашли довольно быстро. Ученые взяли то же самое тело, ядра которого испускали кванты. Только это вещество-приемник — обычное, не облученное нейтронами (в нашей грубой модели — ружье с пустой обоймой). Квант может попасть в «пустое ружье» — ведь место там свободно. Ядро должно поглотить летящий квант. И если квант пойман — сигнал принят. Казалось бы, все просто: источник квантов есть, приемник тоже есть. Ставь приемник на пути летящих квантов и лови их. Кванты как будто бы должны поглощаться ядрами приемника.

Что такое? Почему в наш рассказ незаметно вкрались все эти «как будто», «должны», — вечные спутники неудавшихся экспериментов? Увы, они тут стоят не зря. Дело в том, что кванты не поглощались приемником-мишенью.

БЕЗ ОТДАЧИ

Приходилось ли вам выпрыгивать из лодки на пристань? Если приходилось, то вы знаете, что сделать это не так легко. При прыжке лодка из-за отдачи отплывает назад, и можно угодить в воду. А прыгая в лодку с берега, мы неминуемо заставим ее немного отплыть из-за прыжка, так как часть энергии прыжка передалась лодке.

Когда испускается квант, ядро испытывает отдачу. При этом энергия кванта уменьшается (ведь то, что, прыгая из лодки, мы можем угодить в воду, и означает уменьшение энергии нашего прыжка). Но энергия кванта и его частота (длина волны) тесно связаны. Если изменилась энергия, значит, сбилась и частота «передаваемого» кванта. А тут еще новая потеря: в момент поглощения гамма-квант опять теряет часть своей энергии, толкая ядро вперед. Опять изменяется длина волны ядерного сигнала. Но ядро-поглотитель — оно ведь настроено на частоту неизмененного кванта. Ядро нельзя настроить на новую волну так же просто, как радиоприемник. Поэтому ядра поглотителя не смогут поймать кванты с измененной частотой — поглощения не произойдет.

Поняв это, ученые все же нашли способ наблюдать поглощение. Это были чрезвычайно дорогие эксперименты, потому что физикам приходилось искусственно изменять энергию квантов, восполняя «убыль в пути». И никто, по-видимому, не подумал, что отдачу можно устранить.

Именно это и удалось сделать 29-летнему Рудольфу Мессбауэру. Он впервые увидел испускание и поглощение гамма-квантов без отдачи. В опытах Мессбауэра ядра посылали правильный сигнал, «звучали на своей ноте». Мессбауэр, правда, открыл свой эффект случайно, как было открыто немало других выдающихся явлений в физике. Но молодой ученый, проявив незаурядные эрудицию и талант, смог объяснить то, что открыл. За это он был удостоен Нобелевской премии по физике.

ЛОДКА И ТЕПЛОХОД

Все гениальное просто. Мы говорили об отдаче при прыжке с лодки на пристань. А теперь представьте, что мы прыгаем не с лодки — с большого теплохода. Всякий знает, что с теплохода прыгать на пристань безопасно. Масса теплохода во много раз больше массы прыгающего человека. Теплоход в результате отдачи получит очень малую скорость. Это означает, что практически вся энергия прыгающего человека уйдет на прыжок. При большой массе отдачу можно не учитывать.

Ход мысли ясен, не правда ли: надо «утяжелить» ядра. Но легко сказать «утяжелить» — ядра есть ядра. Впрочем… ведь и теплоход построен из многих атомов, связанных вместе. Значит, надо, чтобы ядра были крепко связаны, и отдача передавалась всему телу в целом, а не отдельному ядру.

Путь был найден. Мессбауэр охладил поглотитель и излучатель до температуры жидкого азота — это почти двести градусов мороза. При такой температуре в отдаче начинает участвовать весь кристалл в целом, потому что тепловые колебания отдельных атомов затухают. А это и есть полная аналогия теплоходу. Гамма-кванты уже не теряют энергию на отдачу. Их частота практически не меняется. Ядра приемника «услышат» сигнал, то есть поглотят летящие кванты. Произойдет, как скажет физик, ядерное резонансное поглощение.

Его можно увидеть, например, так. Некоторое вещество — допустим, олово — облучают в реакторе. Ядра олова возбуждаются и испускают кванты. На пути квантов ставят обычное, необлученное олово — оно служит поглотителем. Позади поглотителя стоит счетчик, он исправно считает прилетающие в него, то есть не «проглоченные» кванты. Сначала опыт идет при комнатной температуре. Потом источник и поглотитель охлаждают до температуры жидкого азота. Счетчик сразу же фиксирует резкое уменьшение числа прилетающих гамма-квантов. Еще бы, ведь теперь приемник настроен точно на излучаемую волну, и кванты сильно поглощаются ядрами.

ПОЛОСКИ СХОДЯТСЯ – ПОЛОСКИ РАСХОДЯТСЯ

Открытие Мессбауэра далеко не исчерпывается просто наблюдением резонансного поглощения. Более того, красота эксперимента как раз в другом. Призовем снова на помощь радиоволны. Мы сидим у радиоприемника и вращаем ручку настройки. Ловим далекую станцию — а вот и она. Звуки сначала тихие. Настраиваемся точнее. Теперь громко. Повернем дальше ручку — как говорят, расстроим прием. Звуки все тише, тише… исчезают совсем. Интересно, почему звуки слышны на разных волнах? Да потому, что радиостанция посылает сигналы вовсе не одной длины волны. Самый громкий сигнал несет одна, основная. Но и соседние волны тоже несут звуки.

Перемещая стрелку настройки около основной волны, мы слышим сигнал на этих разных, но близких одна к другой волнах. На шкале не точка, а скорее полоска настройки. Поэтому и говорят о ширине радиочастот, посылаемых передатчиком. А отношение ширины полоски частот к основной частоте называют неточностью сигнала. Неточность радиосигналов обычно около одной сотой — это весьма большая неточность.

Физики давно заметили, что самые разные сигналы имеют много общего. Поэтому никого не удивило, когда узнали, что и ядерные сигналы — гамма-кванты — тоже имеют полосы частот, полосы энергий. Но только очень и очень узкие. Ядерные волны очень близко собираются вокруг основной волны. Неточность частот гамма-квантов в десятки и сотни миллиардов раз меньше неточности радиосигналов. Измерить такую исчезающую неточность гораздо труднее, чем найти иголку в стоге сена. Но эту задачу и решил Мессбауэр.

Итак, гамма-кванты имеют некую полоску энергий, частот, длин волн (все эти величины связаны друг с другом). Но квант уносит энергию возбужденного ядра. Значит, и сама энергия возбуждения имеет не одно значение, а некоторую область или полоску энергий. Эта полоска в точности равна ширине энергии улетающего кванта.

Необычное словосочетание — ширина энергии. Но мы теперь знаем, что оно пришло в ядерную физику из радиотехники. Эту ширину физики называют неопределенностью энергии. В самом деле, ведь ширина энергии определяет неточность величины энергии возбуждения.

Теперь дальше. Летящий квант поглощается ядром мишени. Ядро становится возбужденным. Понятно, что энергия возбуждения будет иметь неопределенность, точно равную ширине полосы энергии прилетающего кванта. Полоски энергий гамма-кванта и ядер мишени точно совпадают. Чтобы измерить ширину посылаемых радиосигналов, мы изменяли настройку приемника. Но можно менять и частоту передатчика. В случае с квантами так и делают. Частоту кванта изменять почти так же удобно, как и частоту передаваемых радиоволн. Чтобы изменить частоту квантов, надо передвигать источник или поглотитель с некоторой скоростью — сближать их или отдалять. При этом срабатывает эффект Допплера — изменение частоты кванта при движении источника.

Изменения частоты при движении можно наблюдать и в жизни. Прислушайтесь к гудку проходящего тепловоза или к писку пролетающего мимо уха комара. И в том и в другом случае звуки слышатся то резко, визгливо, то глухо, басисто. Частота звука меняется в зависимости от того, идет ли тепловоз к вам или удаляется. Так же точно меняется писк комара. И частота квантов — тоже.

Раз частота кванта изменилась, то полоски энергий кванта и ядер мишени уже не будут совпадать. Их сдвинули одну относительно другой. Чем быстрее движется источник квантов, тем сильнее меняется их частота, тем больше раздвигаются полоски энергий кванта ядра мишени. При некоторой скорости полоски совсем «разъедутся».

А что случится с квантами? Чтобы это понять, снова вспомним пристань. Теплоход подходит к причалу. На причале и на теплоходе сходни для пассажиров. Когда теплоход стоит у причала, сходни совпадают. Люди переходят с теплохода на пристань. Но если сходни начать раздвигать, то все меньше и меньше людей сможет переходить на причал. И, наконец, если сходни раздвинуть далеко, то перейти на пристань станет невозможно. Когда теплоход подходит к причалу, то же происходит в обратном порядке. Сначала прыгают отдельные смельчаки. По мере приближения теплохода к сходням на берег переходит все больше и больше людей.

Грубо говоря, кванты при поглощении ведут себя, как люди на теплоходе. Когда ядра поглотителя и излучателя покоятся, полоски энергий кванта и ядер мишени совпадают. Кванты поглощаются сильно. Если с некоторой скоростью передвигать поглотитель или источник, частота кванта меняется, а полоски энергий расходятся. Чем сильнее раздвинуты полоски энергий кванта и ядра, чем выше скорость источника или поглотителя, тем слабее поглощение. При некоторой скорости поглощение пропадает вовсе. Ну а скорость эту легко измерить, после чего по простым формулам можно найти ширину энергии гамма-кванта.

После такого теоретического объяснения можно разобрать и сам опыт. Берем то же олово. Источник, поглотитель, счетчик. Источник покоится. Счетчик считает кванты. Потом источник заставляют двигаться взад и вперед. И сразу лампочки счетчика вспыхивают чаще. Это понятно: кванты поглощаются мишенью все слабее и слабее, все больше их достается счетчику. Достаточно двигать источник или поглотитель со скоростью всего несколько миллиметров в секунду, чтобы поглощение квантов олова пропало. Если и дальше повышать скорость, то счетчик не меняет своих показаний: поглощения больше нет.

Скорость, необходимая для остановки поглощения у олова, сравнительно высока. Но ведь ядра разных тел отличаются друг от друга. Отличаются и неточности частот квантов. Для того чтобы нарушить резонанс, скажем, в цинке, достаточно перемещений поглотителя или источника со скоростью одной стотысячной сантиметра в секунду. Некий остроумный физик заметил, что такова примерно скорость роста наших ногтей.

Наблюдая эффект Мессбауэра, можно судить о поведении различных химических соединений. Ядро стало тем крючком, зацепив за который, удалось распутать целый ряд загадок природы. Вот одна из решенных проблем, быть может самая важная.

Продолжение читайте в следующей статье.

Автор: В. Борисов.