Курс физики для вузов - часть 123

ния неопределенностей

 энергия

возбужденных состояний ядра прини-
мает значения в пределах АЕ

 где

At — время жизни ядра в возбужденном
состоянии. Следовательно, чем меньше
At, тем больше неопределенность энер-
гии

 возбужденного состояния. Нео-

пределенность энергии АЕ = 0 только

для основного состояния стабильного
ядра (для него At

 Неопределен-

ность энергии
системы (например, атома), обладающей

дискретными уровнями энергии, опре-
деляет естественную ширину энерге-
тического уровня (Г). Например, при

времени жизни возбужденного состоя-
ния, равного

 с, естественная ши-

рина энергетического уровня пример-
но 1СГ

2

 эВ.

Неопределенность энергии возбуж-

денного состояния, обусловливаемая
конечным временем жизни возбужден-
ных состояний ядра, приводит к немо-
нохроматичности

 испус-

каемого при переходе ядра из возбуж-
денного состояния в основное. Эта не-
монохроматичность называется есте-
ственной шириной линии
ния.

При прохождении

 в ве-

ществе помимо описанных выше (см.
§ 259) процессов (фотоэффект, компто-
новское рассеяние, образование элект-

ронно-позитронных пар) должны в
принципе наблюдаться также резонан-
сные эффекты. Если ядро облучить

 с энергией, равной разности

одного из возбужденных и
энергетических состояний

 то мо-

жет иметь

 резонансное поглоще-

ние

 ядрами: ядро погло-

щает

 той же частоты, что и час-

тота излучаемого ядром

 при

переходе ядра из данного
го состояния в основное.

Наблюдение резонансного поглоще-

ния

 ядрами считалось долгое

время невозможным, так как при пере-
ходе ядра из возбужденного состояния
с энергией Е в основное (его энергия
принята равной нулю) излучаемый

 имеет энергию

 несколько

меньшую, чем Е, из-за отдачи ядра в
процессе излучения:

где

 — кинетическая энергия отдачи

ядра.

При возбуждении же ядра и перехо-

де его из основного состояния в возбуж-
денное с энергией Е

 должен

иметь энергию

где

 — энергия отдачи, которую

 должен передать поглощающе-

му ядру.

Таким образом, максимумы линий

излучения и поглощения сдвинуты от-
носительно друг друга на величину

 347). Используя закон сохранения

импульса, согласно которому в рас-
смотренных процессах излучения и по-
глощения импульсы

 и ядра

должны быть равны, получим

Например, возбужденное состояние

изотопа иридия

 имеет энергию

 347

491

129 кэВ, а время его жизни порядка 10  с,

так что ширина уровня Г  4 •

 эВ.

Энергия же отдачи при излучении с это-

го уровня, согласно (260.1), приблизи-
тельно равна 5 •

 эВ, т.е. на три по-

рядка больше ширины уровня. Есте-
ственно, что никакое резонансное по-
глощение в таких условиях невозмож-

но (для

 резонансного по-

глощения линия поглощения должна
совпадать с линией излучения). Из
опытов также следовало, что на свобод-
ных ядрах резонансное поглощение не
наблюдается.

Резонансное поглощение

чения в принципе может быть получе-

но только при компенсации потери

энергии на отдачу ядра. Эту задачу ре-

шил в 1958 г. Р.Мёссбауэр (Нобелев-
ская премия

 г.). Он исследовал из-

лучение и поглощение

 в

ядрах, находящихся в кристаллической
решетке, т.е. в связанном состоянии

(опыты проводились

 низкой тем-

пературе).

В данном случае импульс и энергия

отдачи передаются

 одному ядру, из-

лучающему (поглощающему)

а всей кристаллической решетке в це-

лом. Так как кристалл обладает гораз-
до большей массой по сравнению с мас-

сой отдельного ядра, то в соответствии
с формулой (260.1) потери энергии на
отдачу становятся исчезающе малыми.
Поэтому процессы излучения и погло-
щения

 происходят практи-

чески без потерь энергии (идеально уп-
руго).

Явление упругого испускания (по-

глощения)

 атомными ядра-

ми, связанными в твердом теле, не со-
провождающееся изменением внутрен-
ней энергии тела, называется эффек-
том

 эра. При рассмотренных

условиях линии излучения и поглоще-
ния

 практически совпада-

ют и имеют весьма малую ширину, рав-
ную естественной ширине Г. Эффект

Мёссбауэра был открыт на глубоко ох-

лажденном

 (с понижением темпе-

ратуры колебания решетки «заморажи-
ваются»), а впоследствии обнаружен
более чем на 20 стабильных изотопах

(например,

Р.

 вооружил эксперимен-

тальную физику новым методом изме-
рений невиданной прежде точности.

Эффект Мёссбауэра позволяет измерять

энергии (частоты) излучения с ОТНОСИ-

т е л ь н о й  т о ч н о с т ь ю — =

 —

Е

поэтому во многих областях науки и

техники может служить тончайшим

«инструментом» различного рода изме-

рений. Появилась возможность изме-
рять тончайшие детали

 внут-

ренние магнитные и электрические
поля в твердых телах и т. д.

 воздействие (например, зеема-

новское

 ядерных уровней или

смещение энергии фотонов при движении

в тюле тяжести) может привести к очень ма-

лому смешению либо линии поглощения,

либо линии излучения, иными словами,

привести к ослаблению или исчезновению

эффекта Мёссбауэра. Это смещение, следо-

вательно, может быть зафиксировано. По-

добным образом в лабораторных условиях

был обнаружен (1960) такой тончайший эф-

фект, как «гравитационное красное смеще-

ние», предсказанный обшей теорией отно-

сительности.

§ 261. Методы наблюдения

и регистрации радиоактивных

излучений и частиц

Практически все методы наблюде-

ния и регистрации радиоактивных из-

лучений (а, (3,

 и частиц основаны на

их способности производить иониза-
цию и возбуждение атомов среды. За-

492

ряженные частицы вызывают эти про-
цессы непосредственно, а

 и

нейтроны обнаруживаются по иониза-

ции, вызываемой возникающими в ре-

зультате их взаимодействия с электро-

нами и ядрами атомов среды быстры-
ми заряженными частицами. Вторичные
эффекты, сопровождающие рассмот-

ренные процессы, такие, как вспышка
света, электрический ток, потемнение
фотопластинки, позволяют регистри-
ровать пролетающие частицы, считать
их, отличать друг от друга и измерять

их энергию. Приборы, применяемые

для регистрации радиоактивных излу-
чений и частиц, делятся на две группы:

1) приборы, позволяющие регистри-

ровать прохождение частицы через оп-
ределенный участок пространства и в
некоторых случаях определять ее ха-

рактеристики, например энергию

 черепковский

счетчик, импульсная
камера, газоразрядный

 полу-

проводниковый счетчик);

2) приборы, позволяющие наблю-

дать, например фотографировать, сле-
ды (треки) частиц в веществе (камера
Вильсона, диффузионная камера, пу-
зырьковая камера, ядерные фотоэмуль-
сии).

1. Сцинтилляционный счетчик. На-

блюдение сцинтилляций — вспышек
света при попадании быстрых частиц на
флуоресцирующий экран — первый
метод, позволивший У. Круксу

1

 Э. Ре-

зерфорду

 заре ядерной физики (1903)

визуально регистрировать

Сцинтилляционный счетчик — де-

тектор ядерных частиц, основными эле-
ментами которого
лятор

 (см. § 245) и

фотоэлектронный умножитель (см.

 У.Крукс

 - английский фи-

зик и

§ 105), позволяющий преобразовывать
слабые световые вспышки в электри-

ческие импульсы, регистрируемые элек-
тронной аппаратурой. Обычно в каче-

стве

 используют кри-

сталлы некоторых неорганических
(ZnS для
для

 и

 или органи-

ческих (антрацен, пластмассы — для

 веществ.

 счетчики обла-

дают высоким разрешением по време-
ни

 с), определяемым родом

регистрируемых частиц,
ром и разрешающим временем исполь-
зуемой электронной аппаратуры (оно
доведено сейчас до

 с).

Для этого типа счетчиков эффектив-

ность регистрации — отношение числа

 частиц к полному

числу частиц, пролетевших в счетчике,
примерно 100 % для заряженных частиц
и 30 % для

 Так как для мно-

гих сцинтилляторов
антрацен, стильбен) интенсивность све-
товой вспышки в широком интервале
энергий пропорциональна энергии пер-
вичной частицы, то счетчики на данных

 применяются для из-

мерения энергии регистрируемых час-

2. Черепковский счетчик. Принцип

его работы и свойства излучения Че-

 Вавилова, лежащие в основе

работы счетчика, рассмотрены в § 189.

Назначение черепковских счетчиков —

это измерение энергии частиц, движу-
щихся в веществе со скоростью, превы-
шающей фазовую скорость света в дан-
ной среде, и разделение этих частиц по
массам.

Зная угол испускания излучения

[см. (189.1)], можно определить ско-

рость частицы, что при известной мас-
се частицы равносильно определению
ее энергии. С другой стороны,

 мас-

493

 частицы не известна, то она может

быть определена по независимому из-

мерению энергии частицы. Кроме того,
при наличии двух пучков частиц с раз-
ными скоростями будут различными и
углы испускания излучений, по кото-
рым можно искомые частицы опреде-
лить. Для черепковских счетчиков раз-
решение по скоростям (иными слова-
ми, по энергиям) составляет

Это позволяет отделять элементарные

частицы друг от друга при энергиях

порядка 1 ГэВ, когда углы испускания
излучения различаются очень мало.

Время разрешения счетчиков достига-
ет

 с. Счетчики Черепкова устанав-

ливаются на космических кораблях для
исследования космического излучения.

3. Импульсная ионизационная ка-

мера — это детектор частиц, действие
которого основано на способности за-
ряженных частиц вызывать ионизацию

газа. Ионизационная камера представ-

ляет собой заполненный газом электри-
ческий конденсатор, к электродам ко-
торого подается постоянное напряже-

ние.

Регистрируемая частица, попадая в

пространство между электродами, иони-
зует газ. Напряжение

 так,

чтобы все образовавшиеся ионы, с од-

ной стороны, доходили до электродов,
не успев

 а с другой —

не разгонялись настолько сильно, что-
бы производить вторичную ионизацию.

Следовательно, в ионизационной каме-

ре на ее электродах непосредственно
собираются ионы, возникшие под дей-

ствием заряженных частиц. Ионизаци-
онные камеры бывают двух типов: ин-
тегрирующие (в них измеряется сум-
марный ионизационный ток) и им-
пульсные, являющиеся, по существу,
счетчиками (в них регистрируется про-
хождение одиночной частицы и изме-
ряется ее энергия, правда, с довольно

низкой точностью, обусловленной ма-
лостью выходного импульса).

4. Газоразрядный счетчик. Газораз-

рядный счетчик обычно выполняется в
виде наполненного газом металлическо-
го цилиндра (катод) с тонкой проволо-
кой (анод), натянутой по его оси. Хотя
газоразрядные счетчики по конструкции
похожи на ионизационную камеру, од-
нако в них основную роль играет вторич-
ная ионизация, обусловленная столкно-
вениями первичных ионов с атомами и
молекулами газа и стенок.

Можно говорить о двух типах газо-

разрядных счетчиков: пропорциональ-
ных [в них газовый разряд несамостоя-
тельный (см. § 106), т. е. гаснет при пре-
кращении действия внешнего иониза-
тора] и счетчиках

ра

1

 них разряд самостоятельный (см.

§ 107), т.е. поддерживается после пре-
кращения действия внешнего иониза-
тора].

В пропорциональных счетчиках

рабочее напряжение

 так,

чтобы они работали в области вольт-ам-
перной характеристики, соответствую-
щей несамостоятельному разряду, в ко-
торой выходной импульс пропорциона-
лен первичной ионизации, т.е. энергии

влетевшей в счетчик частицы. Поэтому
они не только регистрируют

 но

и измеряют ее энергию. В пропорцио-
нальных счетчиках импульсы, вызыва-
емые отдельными частицами, усилива-
ются в

 раз (иногда и в

 раз).

Счетчик Гейгера — Мюллера по кон-

струкции и принципу действия суще-
ственно не отличается от пропорцио-
нального счетчика, но работает в обла-
сти вольт-амперной характеристики,
соответствующей самостоятельному
разряду (см. § 107), когда выходной

 Э. Г. Мюллер

 — 1977) —

 фи-

494