Всего лишь кинематика - Копылов Г.И.
Скачать (прямая ссылка):
излучение.
Вычислим, например, частоту фотонов от распада 2"->-Л0+у. Подстановка в
выражение {8) гпг = 1,192, П1Л=1,П5 даст ?v=0,0745 ГэВ, что соответствует
частоте v = 1,8- 10м с-1. Глаз же частоты выше 101Ь с-1 уже не ощущает.
Так что с цветом частиц у нас ничего не вышло. Какова же мораль, как
говорили в XIX веке? Или сухой остаток, как говорят в XX веке? Что мы
узнали?
Во-первых, мы узнали, что при излучении света атомы становятся легче. Оно
и понятно: свет уносит энергию, энергия эквивалентна массе.
Во-вторых, теперь ясно, что атом до излучения и атом после излучения -
это разные частицы, все равно, как Л°- и 2°-гипероны в реакции S^-wV+y.
Различия, конечно, не так велики, потому что и энергия фотонов меньше, но
все же они реальны. Скажем, невозбужденный гелий - инертный газ.
Возбужденный - вступает в реакции.
Мы теперь не удивимся, если услышим, как 2"-гиперон называют возбужденным
состоянием Л°-гиперона. Представление о том, что те или иные тяжелые
частицы являются возбужденными состояниями более легких, иногда очень
полезно и помогает устанавливать родство между элементарными частицами.
И еще мы убедились, что условие (4) - необходимое и достаточное условие
того, что распад 0->1+2 произойдет, нуждается в оговорке. Если частицы I
и 2 имеют массы покоя, то действительно т0^тН-т,; если же, скажем, у
частицы 2 нет массы покоя, то неравенство становится строгим:
Ш0>Я2ь
Оно и понятно: при m0=mi+m, частицы 1 и 2 родятся неподвижными, а фотон
стоять не может.
Эффект Мёссбауэра
И, наконец, следует запомнить и пятый вывод. Фотон, вылетая, уносит с
собой не только энергию, но и импульс - у фотона импульс просто равен
энергии hv. Сама частица Y получает равный импульс
99
hv в обратную сторону - при излучении света атом испытывает отдачу.
Отдача эта мала; энергия видимого света незначительна; скажем, при
излучении желтого света с частотой v=5-10'* с*1 импульс отдачи атома
Av"2*10-" ГэВ.
Иное дело, когда распадается элементарная частица или наблюдается
радиоактивный распад-там об этой отдаче забывать нельзя (в давешнем
примере P0Ta=Ev = =0,0745 ГэВ).
При радиоактивном у-распаде идет реакция
Я*-*Я+у, (9)
возбужденное ядро переходит из состояния с большей массой в состояние с
меньшей массой, испуская фотон и само испытывая отдачу; энергия отдачи
равна, как и обычно,
р Мя(>я ^отл {hv)*
Д 2 " 2МЯ 2МЙ '
В нашем примере
Я-<Р,074б)*/(2-1,15)"2-10-" ГэВ.
Становится ясно, почему в массе вещества этот фотон не захватывается
немедленно другим, невозбужденным ядром. Ведь для осуществления обратного
процесса
Я+у-"-Я*
надо, чтобы ядро Я обладало в точности тем же (по величине и по
направлению) импульсом, той же кинетической энергией R, что и ядро Я в
реакции распада*). А ядра Я почти неподвижны, точнее, их скорости и
энергии в обычном тепловом движении намного меньше, чем скорости и
энергии, получаемые при отдаче. (Кинетическую энергию теплового движения
ядер можно найти из соотношения Е=л/гкТ, где A=8,62*10"14 ГэВ/градус -
постоянная Больцмана. При комнатной температуре эта энергия Еж2,5* 10*"
ГэВ; она много меньше, чем нужная нам величина Я.)
А когда фотоны излучаются атомами, энергия отдачи атома много меньше
энергии теплового движения: при частоте излученного света v=5-10" с-1
энергия отдачи
*) Только тогда мы сможем удовлетворить законам сохранения энергии и
импульса,
100
атома натрия (его масса примерно 22 ГэВ) равна ,(Лу)"_(4.И-10-".5.10")"
2М 2-22 ~ 1ЭС>
а энергия теплового движения 10-11 ГэВ, поэтому среди бесчисленного
множества атомов вполне могут найтись такие, которые обладают подходящим
импульсом, равным импульсу отдачи излучившего атома, и свет поглотится.
Немецкий физик Мёссбауэр первый понял, что если ядра Я* и Я связаны в
узлах кристаллической решетки, то импульс фотона при распаде (9) иногда
принимает на себя весь кристалл в целом. Масса кристалла очень велика, и
все выглядит так, будто и Я* и Я - это "частицы" неимоверно большой массы
(равной массе кристалла). Ясно, что после у-излучения подобная частица
останется неподвижной. Для поглощения такого фотона тоже нужно, чтобы его
импульс воспринял весь кристалл. Такое возможно, если энергия у-кванта не
слишком высока. И вот Мёссбауэр сообразил, что при радиоактивном у-
распаде ядер в кристалле будет происходить обратное поглощение фотонов в
том же кристалле (или в другом, но из такого же вещества), все равно, как
это бывает при излучении света атомами. И подтвердил это
экспериментально. Чувствительность эффекта Мёссба-уэра так велика, что
когда кристалл-излучатель фотонов приподнимают на несколько метров над
кристаллом-поглотителем, то поглощения уже не происходит: фотоны, падая,
теряют свою потенциальную энергию, увеличивают частоту и попадают в ядра
не с той энергией, какая нужна для процесса Я + у->-Я*. Этот опыт доказал
(еще раз) представления Эйнштейна о том, что фотоны обладают массой
движения, ничем не отличающейся от массы движения других частиц.
