Сигнали ядер

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Людина XX століття проникла в «неподільний» атом. Розкриття таємниць життя атомів дало людям майже необмежену міць. І на цьому шляху нас чекають нові відкриття. Змусити кожен атом речовини служити людині – ось благородна мета сучасної хімії. Але для цього треба якомога більше дізнатися про властивості атомів. І погано було б хімії, не прийди їй на допомогу ядерна фізика. Фізики-ядерники створили найтонші «зонди» – методи, що дозволили промацати кожен атом, почути биття його серця – прийняти сигнали атомного ядра. Один з таких тонких методів був відкритий молодим німецьким фізиком Рудольфом Мессбауером.

Ми дізнаємося про життя людей на далеких материках, на полярних і космічних станціях, приймаючи радіосигнали їх передавачів. Ядра багатьох тіл теж випускають сигнали, і їх теж можна приймати. Сигнали ці різні, але зараз нас цікавить тільки один вид ядерних сигналів – гамма-кванти.

Мудрована назва не повинна вас бентежити. Сигнали гамма-квантів – майже те ж, що й звичайні радіохвилі. Тільки довжина хвилі кванта в сотні мільярдів разів коротше: адже ми все-таки у світі найдрібніших ядер. У той же час саме слово «квант», по-латині «кількість», говорить про те, що ядро посилає сигнали окремими порціями. Ядро, яке може викидати кванти, називають збудженим.

Можна навести дуже грубе порівняння ядра з рушницею. Якщо в магазинній коробці рушниці є кулі, то з нього можна кілька разів вистрілити. Якщо ядро порушено, то воно може випустити гамма-кванти. Правда, на відміну від рушниці, ядро має у своєму розпорядженні кванти різної величини. Але ж ми попереджені, що рушниця – саме грубе порівняння.

Після пострілу квантом енергія порушеного ядра стрибкоподібно зменшується. Почавши «стріляти», ядро поспішає випустити всі кванти. При цьому енергія ядра буде скачками зменшуватися рівно стільки разів, скільки вилетить гамма-квантів. Вони, як кажуть, відносять енергію порушеного ядра. І, нарешті, ядро повністю видихається. Всі гамма-кванти поширені. «Стріляти» більше нічим. За висловом фізиків, таке «заспокоєне» ядро знаходиться в основному стані. Ядра більшості оточуючих нас тіл знаходяться якраз в основному стані. Їх енергія настільки мала, що вони не можуть віддати жодного кванта.

У ЦІЛЬ АБО КРІЗЬ ЦІЛЬ

Щоб рушниця стріляла, її треба зарядити. Щоб ядра викидали гамма-кванти, їх треба збудити. Це можна зробити різними способами. Наприклад, опромінити речовину нейтронами. При цьому її ядра збуджуються.

Тіла із збудженими ядрами служать випромінювачами гамма-квантів. Але перш ніж вистрілити першим квантом ядро може прожити досить багато часу – годинну, добу, місяці і навіть роки. Зате, вистріливши перший раз, ядро, як правило, майже миттєво випускає всі кванти. Тут, як у відомій приказці, останнє слово найвірніше: останній квант став найцікавішим.

Після того як останній квант випущений, його треба зловити, і відповідний приймач знайшли досить швидко. Вчені взяли те ж саме тіло, ядра якого випускали кванти. Тільки ця речовина-приймач – звичайна, ще не опромінена нейтронами (у нашій грубій моделі – рушниця з порожньою обоймою). Квант може потрапити в «порожню рушницю» – адже місце там вільне. Ядро має поглинути квант. І якщо квант спійманий – сигнал прийнятий. Здавалося б, все просто: джерело квантів є, приймач теж є. Став приймач на шляху літаючих квантів і лови їх. Кванти нібито повинні поглинатися ядрами приймача.

Що таке? Чому в нашу розповідь непомітно вкралися всі ці «начебто», «повинні», – вічні супутники невдалих експериментів? На жаль, вони тут стоять не дарма. Справа в тому, що кванти не поглинаються приймачем-мішенню.

БЕЗ ВІДДАЧІ

Чи доводилося вам вистрибувати з човна на пристань? Якщо доводилося, то ви знаєте, що зробити це не так легко. При стрибку човен через віддачу відпливає назад, і можна потрапити у воду. А стрибаючи на човен з берега, ми неминуче змусимо його трохи відплисти через стрибок, так як частина енергії стрибка передалася човну.

Коли випускається квант, ядро відчуває віддачу. При цьому енергія кванта зменшується (адже те, що, стрибаючи з човна, ми можемо потрапити у воду, і означає зменшення енергії нашого стрибка). Але енергія кванта і його частота (довжина хвилі) тісно пов’язані. Якщо змінилася енергія, значить, збилася і частота «переданого» кванта. А тут ще нова втрата: у момент поглинання гамма-квант знову втрачає частину своєї енергії, штовхаючи ядро вперед. Знову змінюється довжина хвилі ядерного сигналу. Але ядро-поглинач – адже воно налаштоване на частоту незміненого кванта. Ядро не можна налаштувати на нову хвилю так само просто, як радіоприймач. Тому ядра поглинача не зможуть зловити кванти зі зміненою частотою – поглинання не відбудеться.

Зрозумівши це, вчені все ж знайшли спосіб спостерігати поглинання. Це були надзвичайно дорогі експерименти, тому що фізикам доводилося штучно змінювати енергію квантів, заповнюючи «убуток в дорозі». І ніхто, мабуть, не подумав, що віддачу можна усунути.

Саме це і вдалося зробити 29-річному Рудольфу Месбауеру. Він вперше побачив випускання і поглинання гамма-квантів без віддачі. У дослідах Месбауера ядра посилали правильний сигнал, «звучали на своїй ноті». Месбауер, правда, відкрив свій ефект випадково, як було відкрито чимало інших видатних явищ у фізиці. Але молодий вчений, виявивши неабиякі ерудицію і талант, зміг пояснити те, що відкрив. За це він був удостоєний Нобелівської премії з фізики.

ЧОВЕН І ТЕПЛОХІД

Все геніальне просто. Ми говорили про віддачу при стрибку з човна на пристань. А тепер уявіть, що ми стрибаємо не з човна, а з великого теплохода. Всякий знає, що з теплохода стрибати на пристань безпечно. Маса теплохода у багато разів більше маси стрибаючої людини. Теплохід в результаті віддачі отримає дуже малу швидкість. Це означає, що практично вся енергія стрибаючої людини піде на стрибок. При великій масі віддачу можна не враховувати.

Хід думки зрозумілий, чи не так: треба «зробити важчими» ядра. Але легко сказати «зробити важчими» – ядра є ядра. Втім… адже і теплохід побудований з багатьох атомів, пов’язаних разом. Значить, треба, щоб ядра були міцно пов’язані, і віддача передавалася всьому тілу в цілому, а не окремому ядру.

Шлях був знайдений. Месбауер охолодив поглинач і випромінювач до температури рідкого азоту – це майже двісті градусів морозу. При такій температурі у віддачі починає брати участь весь кристал в цілому, тому що теплові коливання окремих атомів загасають. А це і є повна аналогія теплоходу. Гамма-кванти вже не втрачають енергію на віддачу. Їх частота практично не змінюється. Ядра приймача «почують» сигнал, тобто поглинуть кванти. Відбудеться, як скаже фізик, ядерне резонансне поглинання.

Його можна побачити, наприклад, так. Деяка речовина – припустимо, олово – опромінюють в реакторі. Ядра олова порушуються і випускають кванти. На шляху квантів ставлять звичайне, неопромінені олово – воно служить поглиначем. Позаду поглинача стоїть лічильник, він справно рахує прилітаючі в нього, тобто не «проковтнуті» кванти. Спочатку дослід йде при кімнатній температурі. Потім джерело і поглинач охолоджують до температури рідкого азоту. Лічильник відразу ж фіксує різке зменшення числа прилітаючих гамма-квантів. Ще б пак, адже тепер приймач налаштований точно на випромінювану хвилю, і кванти сильно поглинаються ядрами.

СМУЖКИ СХОДЯТЬСЯ – СМУЖКИ РОЗХОДЯТЬСЯ

Відкриття Месбауера далеко не вичерпується просто спостереженням резонансного поглинання. Більше того, краса експерименту якраз в іншому. Закличемо знову на допомогу радіохвилі. Ми сидимо біля радіоприймача і обертаємо ручку настройки. Ловимо далеку станцію – а ось і вона. Звуки спочатку тихі. Налаштовуємося точніше. Тепер голосно. Повернімо далі ручку – як кажуть, засмутився прийом. Звуки все тихіше, тихіше… зникають зовсім. Цікаво, чому звуки чутні на різних хвилях? Та тому, що радіостанція посилає сигнали зовсім не однієї довжини хвилі. Найгучніший сигнал несе одна, основна. Але й сусідні хвилі теж несуть звуки.

Переміщаючи стрілку настройки близько основної хвилі, ми чуємо сигнал на цих різних, але близьких одна до іншої хвилях. На шкалі не крапка, а скоріше смужка настройки. Тому й кажуть про ширину радіочастот, що посилаються передавачем. А відношення ширини смужки частот до основної частоти називають неточністю сигналу. Неточність радіосигналів зазвичай близько однієї сотої – це вельми велика неточність.

Фізики давно помітили, що самі різні сигнали мають багато спільного. Тому нікого не здивувало, коли дізналися, що і ядерні сигнали – гамма-кванти – теж мають смуги частот, смуги енергій. Але тільки дуже і дуже вузькі. Ядерні хвилі дуже близько збираються навколо основної хвилі. Неточність частот гамма-квантів в десятки і сотні мільярдів разів менше неточності радіосигналів. Виміряти таку зникаючу неточність набагато важче, ніж знайти голку в стозі сіна. Але це завдання і вирішив Месбауер.

Отже, гамма-кванти мають якусь смужку енергій, частот, довжин хвиль (всі ці величини пов’язані одна з одною). Але квант забирає енергію порушеного ядра. Значить, і сама енергія збудження має не одне значення, а деяку область або смужку енергій. Ця смужка в точності дорівнює ширині енергії відлітаючого кванта.

Незвичайне словосполучення – ширина енергії. Але ми тепер знаємо, що воно прийшло в ядерну фізику з радіотехніки. Цю ширину фізики називають невизначеністю енергії. Справді, адже ширина енергії визначає неточність величини енергії збудження.

Тепер далі. Летючий квант поглинається ядром мішені. Ядро стає збудженим. Зрозуміло, що енергія збудження матиме невизначеність, точно рівну ширині смуги енергії прилітаючого кванта. Смужки енергій гамма-кванта і ядер мішені точно збігаються. Щоб виміряти ширину радіосигналів, ми змінювали налаштування приймача. Але можна міняти і частоту передавача. У випадку з квантами так і роблять. Частоту кванта змінювати майже так само зручно, як і частоту переданих радіохвиль. Щоб змінити частоту квантів, треба пересувати джерело або поглинач з деякою швидкістю – зближувати їх або віддаляти. При цьому спрацьовує ефект Допплера – зміна частоти кванта при русі джерела.

Зміни частоти при русі можна спостерігати і в житті. Прислухайтеся до гудка тепловоза, що проходить повз або до писку пролітаючого повз вуха комара. І в тому і в іншому випадку звуки чуються то різко, верескливо, то глухо, басисто. Частота звуку змінюється в залежності від того, чи йде тепловоз до вас чи віддаляється. Так само точно змінюється писк комара. І частота квантів – теж.

Раз частота кванта змінилася, то смужки енергій кванта і ядер мішені вже не будуть збігатися. Їх зрушили одну щодо іншої. Чим швидше рухається джерело квантів, тим сильніше змінюється їх частота, тим більше розсуваються смужки енергій кванта ядра мішені. При деякій швидкості смужки зовсім «роз’їдуться».

А що трапиться з квантами? Щоб це зрозуміти, знову згадаємо пристань. Теплохід підходить до причалу. На причалі і на теплоході сходні для пасажирів. Коли теплохід стоїть біля причалу, сходні збігаються. Люди переходять з теплохода на пристань. Але якщо сходні почати розсовувати, то все менше і менше людей зможе переходити на причал. І, нарешті, якщо сходні розсунути далеко, то перейти на пристань стане неможливо. Коли теплохід підходить до причалу, те ж відбувається в зворотному порядку. Спочатку стрибають окремі сміливці. У міру наближення теплохода до сходнів на берег переходить все більше і більше людей.

Грубо кажучи, кванти при поглинанні поводяться, як люди на теплоході. Коли ядра поглинача і випромінювача покояться, смужки енергій кванта і ядер мішені збігаються. Кванти поглинаються сильно. Якщо з деякою швидкістю пересувати поглинач або джерело, частота кванта змінюється, а смужки енергій розходяться. Чим сильніше розсунуті смужки енергій кванта і ядра, чим вище швидкість джерела або поглинача, тим слабкіше поглинання. При деякій швидкості поглинання пропадає зовсім. Ну а швидкість цю легко виміряти, після чого по простим формулам можна знайти ширину енергії гамма-кванта.

Після такого теоретичного пояснення можна розібрати і сам дослід. Беремо те ж олово. Джерело, поглинач, лічильник. Джерело спочиває. Лічильник рахує кванти. Потім джерело змушують рухатися взад і вперед. І відразу лампочки лічильника спалахують частіше. Це зрозуміло: кванти поглинаються мішенню все слабкіше і слабкіше, все більше їх дістається лічильнику. Досить рухати джерело або поглинач зі швидкістю всього кілька міліметрів в секунду, щоб поглинання квантів олова пропало. Якщо і далі підвищувати швидкість, то лічильник не змінює своїх свідчень: поглинання більше немає.

Швидкість, необхідна для зупинки поглинання у олова, порівняно висока. Але ж ядра різних тіл відрізняються один від одного. Відрізняються і неточності частот квантів. Для того щоб порушити резонанс, скажімо, в цинку, досить переміщень поглинача або джерела зі швидкістю одного стотисячного сантиметра в секунду. Якийсь дотепний фізик помітив, що така приблизно швидкість росту наших нігтів.

Спостерігаючи ефект Мессбауера, можна судити про поведінку різних хімічних сполук. Ядро стало тим гачком, зачепившись за який, вдалося розплутати цілий ряд загадок природи. Ось одна з вирішених проблем, бути може найважливіша.

Продовження читайте в наступній статті.

Автор: В. Борисов.