Рудольф Мёссбауэр

Биография

Немецкий физик Рудольф Людвиг Мёссбауэр родился в Мюнхене и был одним из двух детей и единственным сыном Людвига Мёссбауэра, фототехника, и Эрны (в девичестве Эрнст) Мёссбауэр. Получив начальное образование в местных школах, он поступил затем в неклассическую среднюю школу Мюнхена, которую закончил в 1948 г. Некоторое время он работал в оптической фирме, после чего поступил в Мюнхенский технический университет; в 1952 г. стал бакалавром, в 1955 г. – магистром, а в 1958 г. – доктором. В течение академического 1953/54 г. работал преподавателем математики в том же университете. С 1955 по 1957 г. он был ассистентом в Институте медицинских исследований в Гейдельберге, входившем в Институт Макса Планка, а в 1958 г. стал стипендиатом-исследователем в Мюнхенском техническом университете.

С 1850-х гг. было известно, что некоторые газы, жидкости и твердые тела (например, фтористые соединения) поглощают электромагнитное излучение (обычно видимый свет) и немедленно вновь его излучают (это явление получило название флуоресценции). В специальном случае, известном как резонансная флуоресценция, и поглощаемое, и испускаемое излучения обладают одинаковыми энергией, длиной волны и частотой. Важную информацию о строении атомов удалось получить, используя аналогичное явление флуоресценции рентгеновских лучей, в котором материал, возбужденный поглощением рентгеновских лучей, испускает рентгеновские лучи той же длины волны и частоты. Флуоресценция рентгеновских лучей была обнаружена и измерена между 1915 и 1925 гг. Чарлзом Баркла и Каем Сигбаном.

Флуоресцентное поглощение происходит только в том случае, если энергия возбуждающего фотона (частицы электромагнитного излучения) равна энергии, необходимой для возбуждения атома или его ядра. Однако энергия фотона зависит от движения атома, который его поглощает или испускает: атом и фотон приближаются друг к другу – энергия возрастает; если же они удаляются друг от друга – энергия уменьшается. Это усложняет картину, поскольку само явление излучения или поглощения фотона определяется его движением относительно атома.

Процесс испускания или поглощения фотона протекает с сохранением как энергии, так и импульса; другими словами, суммарная энергия и суммарный импульс фотона и атома должны оставаться теми же самыми и до, и после данного события. Отсюда следует, что, излучая фотон, атом должен испытывать отдачу. Энергия такой отдачи вычитается из энергии фотона, которая, следовательно, становится несколько меньше той энергии, которой обладал бы фотон, если бы такой отдачи не было.

Для фотонов видимого света, которые обладают сравнительно малой энергией и импульсом, эффектом атомной отдачи можно пренебречь. В то же время фотоны гамма-лучей обладают энергией, превышающей от 10 тыс. до миллиона раз энергию видимого света, и отдача становится существенной. Когда атомное ядро испускает фотон, появляющееся в результате отдачи движение ядра вызывает заметное уменьшение энергии фотона. В итоге излучаемый фотон обладает не совсем той же самой энергией (или длиной волны, или частотой), что и фотон, который может быть поглощен данной разновидностью ядра. По этой причине резонансная флуоресценция – при которой испускаемый и поглощаемый фотоны должны обладать равными энергиями – обычно у гамма-лучей не наблюдается.

М. нашел способ добиться резонансной флуоресценции гамма-лучей. В качестве их источника он использовал атомы радиоактивного изотопа металла иридия. Иридий имеет форму кристаллического твердого тела, так что как излучающие, так и поглощающие атомы занимают фиксированное положение в кристаллах. Охладив кристаллы жидким азотом, он с удивлением обнаружил, что флуоресценция заметно увеличилась. Изучая это явление, он установил, что отдельные ядра, испускающие или поглощающие гамма-лучи, передают импульс взаимодействия непосредственно всему кристаллу. Поскольку кристалл гораздо более массивен, чем ядро, у излучаемых и поглощаемых фотонов частотный сдвиг не наблюдается. Это явление, которое М. назвал «упругим ядерным резонансным поглощением гамма-излучения», ныне носит название эффекта Мёссбауэра. Как и всякий эффект, возникающий в твердом теле, он зависит от кристаллической структуры вещества, от температуры и даже от присутствия мельчайших примесей. М. показал, что подавление ядерной отдачи с помощью эффекта Мёссбауэра позволяет генерировать гамма-лучи, длина волны которых постоянна с точностью до одной миллиардной (109); другие исследователи улучшили этот результат, добившись стабильности с точностью до одной сто триллионной (1014).

Вначале результаты М., опубликованные в 1958 г., либо игнорировались учеными, либо подвергались сомнению. Однако через год, признав потенциальную важность эффекта Мёссбауэра, некоторые из них повторили его эксперименты, и результаты подтвердились. Тот факт, что упругое ядерное резонансное поглощение делает возможным измерение крайне малого различия в энергии двух систем (лишь бы оно было достаточно велико, чтобы воспрепятствовать резонансной флуоресценции), приводит к методу, имеющему целый ряд важных приложений. Обладая исключительно стабильной длиной волны и частотой, флуоресцентные гамма-лучи используются в качестве исключительно точного инструмента при измерениях гравитационного, электрического и магнитного полей малых частиц.

Одним из первых приложений эффекта Мёссбауэра стала в 1959 г. работа Р.В. Паунда и Г.А. Ребки из Гарвардского университета, которые воспользовались этим эффектом для подтверждения предсказания Альберта Эйнштейна о том, что гравитационное поле способно изменять частоту электромагнитного излучения. Измерение изменения частоты гамма-лучей, вызванного различием гравитационного поля у подножия и наверху 70-футовой башни, полностью подтвердило общую теорию относительности Эйнштейна. Эффект Мёссбауэра позволяет также получить информацию о магнитных и электрических свойствах ядер и окружающих их электронов. Этот эффект находит применение и в таких разнообразных областях, как археология, химический катализ, строение молекул, валентность, физика твердого тела, атомная физика и биологические полимеры.

В 1961 г. М. получил половину Нобелевской премии по физике «за исследование резонансного поглощения гамма-излучения и открытие в этой связи эффекта, носящего его имя». С помощью эффекта Мёссбауэра, сказал Айвар Валлер, член Шведской королевской академии наук, при презентации лауреата, «стало возможно исследовать такие важные явления, которые прежде находились вне досягаемости даже для наиболее точных измерений».

М. должен был стать полным профессором Мюнхенского технического университета, но, разочаровавшись в бюрократических и авторитарных принципах организационных структур германских университетов, взял в 1960 г. творческий отпуск в Гейдельберге и стал стипендиатом-исследователем в Калифорнийском технологическом институте, а в следующем году стал там профессором. Однако в 1964 г. он вернулся в Германию, где занял пост профессора физического факультета Мюнхенского технического университета, преобразовав его по образцу организационных структур американских университетов. Некоторые ученые в шутку называли это изменение в структуре германского академического образования «вторым эффектом Мёссбауэра». С 1972 по 1977 г. М. возглавлял Институт Лауэ – Ланжевена в Гренобле (Франция).

В 1957 г. М. женился на Элизабет Притц, специалистке по дизайну, у них – сын и две дочери. На досуге он играет на пианино, катается на велосипеде и занимается фотографией.

М. является членом Американского, Европейского и Германского физических обществ, Индийской академии наук и Американской академии наук и искусств. Он удостоен почетных докторских степеней Оксфордского, Лейчестерского и Гренобльского университетов. Кроме Нобелевской премии, он получил награду за научные достижения Американской исследовательской корпорации (1960), премию Рентгена Гессенского университета (1961) и медаль Эллиота Крессона Франклиновского института (1961).