Эффект Мессбауэра и синхротронное излучение.
Все-таки в природе существует равновесие в том смысле, что на любой минус всегда найдется плюс. После двух неудачных проектов совместной работы с Каганом, был еще и третий проект. На этот раз не просто удачный, а очень удачный. Каган занимался теорией эффекта Мессбауэра много лет, был личным другом самого Рудольфа Мессбауэра, приглашал его в Россию и сам ездил к нему в Германию и Францию, где тот работал.
Поэтому Каган отслеживал все новости в этой области. Одной из таких новостей было заявление американца Стена Руби о том, что, если вырезать из широкого спектра синхротронного излучения очень узкую спектральную полосу, соответствующую эффекту Мессбауэра, то интенсивность такого источника все равно будет выше, чем у использовавшихся в то время радиоактивных источников.
Я уже писал про две лаборатории в Институте: Войтовецкого и Скляревского, которые проводили эксперименты по эффекту Мессбауэра. Так в лаборатории Скляревкого работал еще молодой тогда Геннадий Смирнов. Он использовал мессбауэровскую линию излучения изотопа железа 57. У железа порядковый номер 26. Это означает, что у него 26 положительно заряженных протонов и 26 отрицательно заряженных электронов в нейтральном атоме.
Но в ядре есть еще нейтральные частицы нейтроны. Их число может быть разным, и именно по их числу различают изотопы ядра (или атома). Обычно число нейтронов равно числу протонов, и самый массовый изотоп железа имеет атомную массу 56. Изотоп 57 имеет на один нейтрон больше и существует в природе в концентрации 2 процента.
Источниками для мессбауэровского излучения являются возбужденные ядра железа 57, которые получаются при распаде радиоактивного кобальта 57. Фактически кювета с таким кобальтом, растворенным в другом материале, и является радиоактивным источником. Ее заправляют в экспериментальную установку на место источника. Еще в установке есть образец и детектор, который считает прилетевшие в него фотоны.
Не стоит и говорить, что такой источник дорого стоит, и что с ним опасно работать. Но самая большая беда в том, что он маломощный, он дает мало фотонов. Поэтому детектор в буквальном смысле считает каждый фотон, чтобы набрать нужную статистику. Интересно, что именно мессбауэровкая физика подтвержает статистический характер законов природы и квантовую природу электромагнитного излучения.
Дело в том, что излучение приходит в детектор порциями (фотонами), и это происходит с большими перерывами. Излучение не светит постоянно, как мы привыкли думать. Более того, пока детектор не набрал достаточное количество фотонов, то все кривые, которые он показывает имеют хаотический разброс, они не удовлетворяют теоретическим законам, выведенным из уравнений Максвелла.
Чтобы сравнить результаты эксперимента с теорией надо набрать много фотонов, а это значит, что надо долго ждать, накапливать сигнал, как говорят специалисты. И слабость источников была самой большой бедой мессбауэровской физики. И не видно было никакой альтернативы. И вдруг новость: альтернативой может стать синхротронное излучение.
Попробую в двух словах объяснить что это такое. Основными подвижными частицами, заполняющими все пространство Вселенной являются фотоны и электроны. Фотоны способны заполнить все пустое пространство, это свет, наш единственный источник информации о Вселенной. Электроны заполняют все пространство там, где есть материя. Движение фотонов -- это свет, движение электронов -- это электрический ток.
И эти две частицы могут превращаться друг в друга. Так как фотоны не имеют массы, то для превращения в электроны фотоны должны иметь очень высокую энергию, это очень жесткое излучение, которого нет на земле. А электроны имеют массу и они могут рождать фотоны намного легче.
Грубо говоря, любое движение электронов с потерей скорости, то есть торможение, рождает фотоны. Таким движением с торможением является движение электронов по кругу. Если с помощью специальной конфигурации магнитов заставить электрон двигаться по кругу, то при таком движении электрон становится источником электромагнитного излучения.
Это и есть синхротронное излучение. Но чтобы излучение рождало фотоны высокой энергии, скорость электронов должна приближаться к скорости света. Чтобы разогнать электроны до таких скоростей нужны специальные и очень дорогие установки. Во-первых, радиус круга не может быть маленьким. Поэтому строится круглое здание вокруг орбиты. Сама орбита проходит внутри трубы, в которой поддерживается очень высокий вакуум.
И так далее. Источники синхротронного излучения -- это очень дорогие машины. Чем более качественное излучение мы хотим получить, тем дороже. И, тем не менее, игра стоит свеч, и уже давно человечество играет в эту игру. А тогда в середине 70-х только рождались идеи и они обсуждались на теоретическом уровне.
Тормозимый электрон рождает излучение в виде очень короткой и спонтанной вспышки. До сих пор никто не знает как это происходит. Но раз вспышка короткая, то спектр такого излучения очень большой, от радиоволн до жестких гама-квантов. Это следует из квантового соотношения неопределенности время-энергия. А нам надо выделить очень узкий участок спектра, соответствующий мессбауэровскому переходу. Относительная величина этого участка равна 0.00000000001.
Выделяя такой участок в спектре излучения мы фактически отказываемся от всего излучения. И, тем не менее, в оставшейся части фотонов все равно больше, чем в кобальтовых источниках. Но есть и другая проблема. Ведь все огромное излучение синхротронного источника нужно уничтожить. А как? Поглотить. Но при этом выделяется огромная энергия.
Более того, как вообще выделить такую узкую линию в широком спектре. Вот эту задачу Каган и взялся решать. Одним из возможных механизмов было использование чисто ядерной брэгговской дифракции. Я уже немного писал об этом. Для этого надо создать условия, чтобы вероятность дифракции при рассеянии на электронах равнялась нулю, а вероятность дифракции на ядрах была не равна нулю.
Тогда в отраженном пучке останутся только те фотоны, у которых есть как раз нужная (мессбауэровкая) энергия, а другие фотоны не смогут отразиться. Надо было теоретически изучить возможности этой схемы. Практическая организация работы была точно такой же, как и раньше. Каган поручил эту работу Афанасьеву, как главному специалисту у нас в лаборатории по этой теме. А Афанасьев предложил сразу подключить и меня.
После этого Афанасьев, оставаясь в команде, моментально самоустранился, а я работал фактически непосредственно с Каганом. Вероятно такая схема была необходима. Каган считал для себя неудобным работать со мной в обход Афанасьева, я все-таки считался учеником Афанасьева, а не Кагана. И Афанасьев действительно определял мою тематику в то время.
Каган сам сделал всю постановку задачи, написал исходные формулы. Моей задачей было вычислить интегралы и решить уравнения, то есть чисто математическая работа. И на сей раз вся задача была редкой удачей. Дело в том, что я очень скоро обнаружил, что интегралы, которые надо вычислять, очень похожи на те, с которыми я долго возился при работе над кандидатской диссертацией.
Кроме чисто ядерной брэгговской дифракции, для полноты картины была рассмотрена и задача чисто ядерного рассеяния вперед, то есть одноволновой случай без дифракции. Это не была цель, все было сделано просто для полноты картины. Но как потом оказалось, именно этот случай имел самый большой успех. Я вычислил все интегралы в аналитическом виде, и это было очень красиво.
Повезло еще и тем, что Каган нечаянно сделал небольшую ошибку, и резко упростил задачу. Дело в том, что мессбауэровский переход не был однократным. Согласно квантовой механике все состояния ядер могут иметь несколько слегка различных подсостояний, то есть расщепляться. В результате, в железе 57 в спектре излучения и поглощения имеется не одна линия, а шесть. Но ширина этих линий намного меньше расстояний между ними. Каган решил, что они друг на друга не влияют.
Поэтому мы рассмотрели только одну из этих линий и ее эволюцию во времени. И прозевали эффект квантовых осцилляций в спектре зависимости интенсивности от времени. На этот эффект указали американцы Ханнон и Траммел, вечные конкуренты Кагана. Однако они не смогли вычислить аналитическую зависимость эволюции мессбауэровского излучения во времени, а мы смогли.
То есть ошибка обернулась удачей. Более сложные интегралы я бы тоже вычислить не смог. А резкое, пусть и не вполне оправданное упрощение задачи, привело к удаче. Ответ снова выражался в виде функции Бесселя от несколько других аргументов, чем в моей кандидатской диссертации.
Попутно мы в аналитическом виде открыли закон резкого ускорения распада возбужденного состояния ядер, которые засвечиваются мгновенно и коллективно. Единичное ядро высвечивало мгновенный импульс за время 140 наносекунд, а толстая мишень из ядер -- намного быстрее, и тем быстрее, чем толще образец.
Вообще говоря, Каган поставил и более сложную задачу, а именно, систему из двух кристаллов: брэгговского отражателя и тонкого поглотителя. Эта задача аналитически не решалась, и надо было делать численные расчеты. Были и еще более сложные системы, которые я не смог сразу изучить. Работа затягивалась.
По этой причине Каган решил не дожидаться полного решения задачи, а сначала опубликовать то, что есть, в том числе и аналитические решения. Так как все статьи Каган тогда писал сам, то он попросил у меня заготовку со всеми формулами и графиками, какие у меня были. А потом написал свой текст, в котором поменял все обозначения, и сделал другой вывод интегралов, не тот, что был у меня.
Для обсуждения нового текста он пригласил меня к себе домой. Я очень редко бывал у него дома. Один раз, когда мы его перевозили из старой квартины на новую. Другой раз, когда он устроил банкет у себя дома по поводу своей Ленинской премии. Но тогда я всегда был среди многих. А вот в одиночку, я кажется был всего два раза. Этот и еще один. Его жены Тани (Татьяны Николаевны) в тот день не было дома, и когда пришло время обеда, он сам все приготовил.
Я почему-то запомнил этот день, хотя ничего выдающегося не произошло. Просто я видимо запоминаю все, что происходит впервые, а потом уже восприимчивость резко падает. К чаю был какой-то десерт, я помню, что неодобрительно о нем высказался, но потом понял, что все было правильно. К сожалению, я так и остался испорченным человеком в том смысле, что обожаю жирные торты: эклеры, наполеоны, киевские, хотя именно это мне очень вредно.
Когда я вижу, что люди срезают ножом крем с торта и едят только хлеб, мне жалко, что добро пропадает. И когда сливают первый бульон при варке курицы, как это делает моя вторая жена. Я готов умереть на пару лет раньше, но не могу отказаться от удовольствия. Справедливости ради хочу сказать, что сам для себя я такого никогда не покупаю, а также не ем конфет. Но когда угощают, то отказаться не могу.
Каган сначала написал короткую статью в журнал Physics Letters, которая вышла в 1978 году, а потом и полную версию, которая вышла уже на следующий год в журнале "Journal of Physics C: Solid State Physics". На сегодня первая статья цитировалась 33 раза, вторая 165. По цитируемости вторая статья стоит третьей в моем списке. И она первая, среди работ, выполненных в СССР, то есть до 91-го года.
Такая популярность статьи была обусловлена тем, что последующие эксперименты полностью подтвердили наши предсказания. Первый эксперимент был сделан в схеме с чисто ядерным брэгговским отражением, но потом экспериментаторы научились выделять мессбауэровскую линию и при когерентном рассеянии вперед, используя детекторы, которые делают развертку сигнала во времени с точностью менее одной наносекунды.
Именно эксперименты в схеме на прохождение вперед и стали массовыми. А у нас в статье этот случай был рассмотрен как не главный. Но в этом и состоит удача, что он все-таки был рассмотрен. Популярность пришла не там, где мы ее ожидали, но она все-таки пришла.
Впоследствие я выполнил все расчеты и по более сложной схеме, но после публикации первой статьи Каган уже не захотел заниматься деталями, результаты так и остались не опубликованными. Я просто все записал в докторскую диссертацию для полноты картины, но это уже никому не было нужно.
Таким образом, четвертая глава диссертации была написана фактически по двум статьям и содержала неопубликованный кусок. Наверно я мог бы его и сам опубликовать, но я закончил работу именно при подготовке диссертации, а потом мне просто не хватило времени на это, было много других дел, да и интереса большого не было.
Однако после защиты докторской, уже в новое время, я еще много статей написал по этой теме. Моими главными соавторами в это новое время стали Геннадий Смирнов и Александр Чумаков. Эти работы я уже делал, чтобы оправдать свои зарубежные командировки. С Геннадием я ездил в Мюнхен, а с Чумаковым работал в Гренобле.
Кроме того, были две командировки в Гамбург, на одну из них я ездил как приглашенный профессор. Командировки очень помогли выжить в условиях, когда перестали платить зарплату. Все статьи, написанные за рубежом, также принесли мне широкую известность в узких кругах, и хорошо цитировались.
Продолжение в четвертом разделе