Валерий Чолаков
Нобеловите награди (25) (Учени и открития (1901–1982))

Ефект на Мьосбауер

От физическата оптика е добре известно резонансното поглъщане на светлинни кванти. Фотоните, излъчени от един атом, могат да бъдат погълнати от друг атом от същия вид. Двата атома изпадат в нещо подобно на резонанс един с друг.

След като бе разкрита електромагнитната природа на гама-лъчите, възникна въпросът не може ли и при тях да се наблюдава такъв механизъм на резонансно поглъщане. Осъществяването на такава възможност щеше да даде на учените един фин инструмент за изследване на атомните ядра. Гама-квантите се излъчват при взаимодействията между частиците в ядрата и тяхното стимулирано отделяне или поглъщане обещаваше да разкрие много от тайните на атома.

Още в началото на 30-те години, имайки предвид успеха в опитите с атомен резонанс, получен със светлинни кванти, редица изследователи поставиха експерименти, за да постигнат резонанс между ядра с помощта на гама-кванти. Опитите се правеха с вещество, чиито атоми са във възбудено състояние и ядрата излъчват гама-лъчи. Тези лъчи минаваха през мишена от същите атоми, но поглъщане не се наблюдаваше.

Тогава теоретиците се заеха с въпроса и установиха, че резонансът се губи в резултат на Доплеровия ефект. При излъчването на светлинни кванти фотонът е твърде малък, за да окаже въздействие на атома. Гама-квантът обаче носи много енергия и при неговото излитане ядрото получава импулс и отскача в обратна посока. Според добре известния ефект на Доплер движението на източника променя честотата на излъчването. В случая при отделянето на гама-кванти този откат на ядрата променя честотата и атомите-приемници, които са в спокойно състояние, не могат да изпаднат в резонанс.

След като бе открит източникът на проблемите, се направиха опити да се реши въпросът по заобиколен път. Установи се, че ако източникът на гама-кванти се движи с много голяма скорост — от порядъка на скоростта на звука, това компенсира отката на атомите и може да се постигне резонансно поглъщане на гама-лъчите. При друг един метод се използваше топлинното движение на атомите. При загряване до хиляди градуси те достигат големи скорости и това също компенсира отката при гама-излъчването.

В 1955 г. в Института „Макс Планк“ в Хайделберг постъпи като аспирант младият физик Рудолф Мьосбауер. Темата на неговата дисертация беше доста тривиална, каквито са темите на повечето дисертации. Тя гласеше: „Изследване на резонансното поглъщане на гама-кванти“, т.е. трябваше да се открият подробностите в нещо, което по принцип е известно. Успешната разработка на темата трябваше да направи Мьосбауер доктор по философия. Стана обаче нещо по-голямо. Дисертацията донесе на аспиранта Нобелова награда.

Отначало, според програмата на ръководителя на лабораторията, се планираше да се приложи известният вече метод за получаване на резонанс чрез силно нагряване на излъчващото вещество и на веществото-приемник. Аспирантът обаче имаше свои идеи и тръгна по друг път, въпреки риска да провали дисертацията, и предупрежденията от страна на ръководството.

Рудолф Мьосбауер започна от най-основните въпроси. Щом като откатът на атомните ядра е причина да се губи резонансът, не може ли атомите да се фиксират по някакъв начин? Отговорът е гениално прост. Това е възможно, ако атомът е свързан в кристална решетка и ако кристалът се охлади до температура близо до абсолютната нула. Тогава откатът, който получава ядрото на атома от излъчващия се гама-квант, се поема от милионите атоми на кристалната решетка и се неутрализира. Самият Мьосбауер дава пример с изстрел на пушка. При стрелба има откат, но ако пушката се опре на стена, откатът е нищожен, тъй като стената многократно превъзхожда пушката по маса. Това беше лесно да се формулира, но до успешната реализация на идеята Мьосбауер стигна едва в 1958 г., когато дисертацията му беше вече под въпрос. Той използва кристал от иридий, охладен в течен въздух. При този експеримент бе открит „ядрен гама-резонанс без откат“. Вместо тази дълга фраза днес всички говорят за „ефект на Мьосбауер“.

Ефектът се демонстрира най-добре, когато източникът на гама-лъчи се движи бавно към мишената. С този извънредно чувствителен експериментален метод се изследва продължителността на живота на изотопите, атомните магнитни полета и други свойства на твърдите тела. Методът даде възможност и за директна проверка на теорията на относителността.

Рудолф Мьосбауер беше само на 29 г., когато направи своето откритие. Три години по-късно той стана Нобелов лауреат по физика за 1961 г., наред с Робърт Хофстадър, за изследванията си върху резонансното поглъщане на гама-лъчите и откриването на ефекта, носещ неговото име.