Великий эффект Мессбауэра

Великий эффект Мессбауэра

Но как создать гамма-лазер?

Как оказалось, для этого нужен прежде всего осмий-187. Именно здесь лежит разгадка той лихорадки по поиску чистого изотопа, что охватила мир в 90-е годы. Не знал об этом Собчак в 1993-м году об этом, как и не ведали и прочие участники «осмиевой лихорадки». Именно предельно чистый Os-187 и эффект Мессбауэра и становятся ключом к созданию гразера. Мастер, поняв это, быстро засел за литературу по гамма-лазерам.

Еще в 1958 году Рудольф Мессбауэр открыл эффект поглощения и излучения гамма-квантов в твердых телах без отдачи, буквально перевернув физику. За что и стал нобелевским лауреатом в 1961 году. Именно его эффект внушает надежду на то, что гамма-лазер возможен в принципе и рано или поздно его создадут.

Что открыл Мессбауэр? Если мы имеем много ядер того или иного элемента, то можем возбудить их с помощью потока нейтронов. То есть, переведем их на более высокий энергетический уровень, «зарядим» их, приведем, так сказать, в метастабильное состояние. Ядро поднимается со своего основного состояния на более высокий уровень. У каждого элемента есть свое метастабильное, «возбужденное» состояние и срок жизни в нем. Когда ядро атома вновь «падает» на основной уровень, то оно отдает накопленную энергию и «выстреливает» гамма-квант.

Что это дает в принципе? Если есть совокупность «возбужденных» ядер и одно из них первым начинает «падать» на основной уровень, то оно столкнет своим гамма-квантом соседнее ядро, а то – уже два других и так далее. Начнется цепная ветвящаяся реакция, в ходе которой все возбужденные, накачанные энергией ядра, почти мгновенно «пальнут» гамма-квантами. Они испустят сильное, когерентное излучение. Такое же когерентное, как и у обычных лазеров, но в данном случае – полученное из энергии атомных ядер, а не электронов. Гамма-излучение гразера!

– Но на практике это пока неосуществимо. Почему? Потому, что, исторгая гамма-квант, ядро получает отдачу, – поясняет Мастер. – Почти так же, как откатывается назад старинная пушка, изрыгнувшая снаряд. Отдача поглощает часть энергии, и потому энергия гамма-кванта, вылетевшая из «падающего» ядра атома, меньше, чем та энергия, что была запасена ядром, поднятым в метастабильное состояние. Поэтому вылетающий гамма-квант не может быть резонансным. Он не в силах вызвать «падение» соседних ядер и начать цепную реакцию. Теряются так называемые резонансные условия…

То есть все атомные ядра-«орудия» не могут выстрелить в очень короткий промежуток времени. Значит, нужно каким-то образом убрать отдачу. В чем-то «закрепить» возбужденные (метастабильные) ядра, чтобы они «стреляли», но без отдачи.

Мессбауэр предложил: нужно заселить атомы нужного, возбуждаемого вещества, в кристаллическую решетку. А решетка – конструкция жесткая, в ней атомы прочно скованы ковалентными связями. Одно ядро тронешь – вся решетка вибрирует. Мессбауэр сказал: а что, если часть ядер в некоей кристаллической решетке заменить на ядра нужного нам вещества с очень высокой запасаемой энергией в местастабильном состоянии? Тогда, если мы «тронем» одно ядро и заставим его «выстрелить» гамма-квантом, отдачи не будет. Кристаллическая решетка помешает, вся масса кристалла поглотит отдачу. Ну, представьте себе пушку, сильно закрепленную в большой решетчатой конструкции. Пушка палит – и ее снаряд вылетает с большей скоростью, чем из свободно стоящего орудия, ибо отдачи нет. Ее поглотила та массивная конструкция, в которой закрепили орудие.

«…Ситуация <…> напоминает человека, прицельно бросающего камень из лодки. Бо?льшую часть энергии согласно закону сохранения импульса получает легкий камень, но небольшая часть энергии броска переходит в кинетическую энергию получающей отдачу лодки. Летом лодка просто приобретет некоторое количество движения, соответствующее отдаче, и отплывет в направлении, противоположном направлению броска. Однако зимой, когда озеро замерзнет, лодку будет удерживать лед, и практически вся энергия броска будет передана камню, лодке (вместе с замерзшим озером и его берегами) достанется ничтожная доля энергии броска. Таким образом, отдача будет передаваться не одной только лодке, а целому озеру, и бросок будет производиться “без отдачи”», – писал сам Мессбауэр полвека спустя после своего великого открытия.

Таким образом, надобно создать кристаллическую решетку, в которую вселены атомы нужного нам вещества. То есть, множество «пушек» в решетке. Заряди их с помощью потока нейтронов, накачай энергией – и дальше заставь выстрелить первую «пушку». Она выплюнет снаряд (гамма-квант) с той же энергией, что в ней запасена. И этот квант заставит сработать соседние «пушки», а те – соседние и так далее, в геометрической прогрессии. Причем в ничтожно малый промежуток времени. И ты получишь мощное гамма-излучение.

Каково же было изумление Виктора Петрика, когда он узнал, что Мессбауэр в своих опытах заселял в кристаллическую решетку атомы осмия! Да, не изотопа-187, а природного осмия, но тем не менее. Мастер испытал сильнейшее возбуждение: он напал на след. Мессбауэр выбрал осмий далеко не случайно: тетроксид осмия очень хорошо проникает в другие вещества. С другой стороны, осмий отличается хорошей способностью запасать энергию.

Эффект Мессбауэра срабатывает, если испускаемого кванта при переходе ядра из метастабильного в основное состояние – не менее ста пятидесяти килоэлектрон-вольт (кЭв).

– Энергия гамма-кванта у ядра каждого элемента – разная, – поясняет Виктор Иванович. – Есть 2кЭв, есть десять, но идеально для эффекта Мессбауэра – это именно 150 кЭв. Тогда энергия испускаемого кванта равна накопленной ядром энергии. А теперь берите «Справочник физических величин» и ищите те ядра, которые имеют наибольшую энергию. И тут получается: «Витя, я охреневаю!»: осмий-187 имеет те самые 150 кЭв.

Такую же энергию имеет и ртуть-196. А это и есть та самая «красная ртуть». Ее изотоп, а не мифическое соединение Sb₂O₇Hg₂, о котором нам говорили в 1992–1995 годах, когда бушевала лихорадка «красной ртути». Изотоп ртути, а не ее соединение – вот что было настоящим объектом поисков. Для чего? Видимо, кто-то на Западе решил, что нашел самый короткий путь к гамма-лазеру. Просто в РФ этого не смогли понять.