Нобелови лауреати – 1961 година

Рудолф Лудвиг Мьосбауер (Rudolf Ludwig Mössbauer)

31 януари 1929 г. - 14 септември 2011 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Робърт Хофщетер)

(За изследването на резонансното поглъщане на гама-излъчването и за откриването във връзка с това на ефекта, носещ неговото име.)

Немският физик Рудолф Лудвиг Мьосбауер е роден в Мюнхен. Той едно от двете деца и единствен син на Лудвиг Мьосбауер, фототехник, и Ерна (Ернст) Мьосбауер. Като получава начално образование в местните училища, Мьосбауер постъпва в средно училище в Мюнхен, което завършва през 1948 г. Известно време работи в оптическа фирма, след това постъпва в Мюнхенския технически университет; през 1952 г. става бакалавър, през 1955 г. – магистър, а през 1958 г. – доктор. През академичната 1953-1954 г. работи като преподавател по математика в същия университет. От 1955 до 1957 г. е асистент в Института за медицински изследвания в Хайделберг, който е част от института „Макс Планк“, а през 1958 г. става стипендиант-изследовател в Мюнхенския технически университет.

Докторските изследвания на Мьосбауер, макар че се осъществяват предимно в института „Макс Планк“, са изпълнени под ръководството на научния му ръководител по физика от Мюнхен Хайнц Майер-Лайбниц. Тези изследвания се отнасят до излъчването и поглъщането на гама-лъчите от атомните ядра. Гама-лъчите са вид електромагнитно излъчване, чиято енергия е по-голяма от енергията на рентгеновите лъчи; те се излъчват от нестабилни (радиоактивни) атомни ядра.

От 1850 г. е известно, че някои газове, течности и твърди тела (например флуорови съединения) поглъщат електромагнитни излъчвания (обикновено видимата светлина) и веднага ги излъчват повторно (това явление получава названието флуоресценция). В специални случаи, известни като резонансна флуоресценция, и поглъщаното, и изпусканото излъчване имат еднаква енергия, дължина на върната и честота. Важна информация за строежа на атома се получава, като се използва аналогичното явление флуоресценция на рентгенови лъчи, при което материалът, възбуден от поглъщането на рентгеновите лъчи, изпуска рентгенови лъчи със същата дължина и честота. Флуоресценцията на рентгеновите лъчи е открита и измерена между 1915 и 1925 г. от Чарлз Баркла и Карл Зигбан.

Флуоресцентно поглъщане произтича само тогава, когато енергията на възбуждащия фотон (частица електромагнитно излъчване) е равна на енергията, необходима за възбуждането на атома или на неговото ядро. Но енергията на фотона зависи от движението на атома, който го поглъща или излъчва: атомът и фотонът се доближават – енергията нараства; ако се ударят – енергията намалява. Това усложнява картината, защото явлението излъчване или поглъщане на фотон се определя от движението му по отношение на атома.

Процесът на излъчване или поглъщане на фотон протича със запазване както на енергията, така и на импулса; с други думи, сумарната енергия и сумарният импулс на фотона и на атома трябва да останат едни и същи и преди, и след даденото събитие. От това следва, че, излъчвайки фотон, атомът трябва да отдаде енергия. Отдадената енергия се изважда от енергията на фотона и тя, следователно, става малко по-малка от енергията, която фотонът би имал, ако отдаването не съществуваше.

За фотоните на видимата светлина, които притежават сравнително малка енергия и малък импулс, ефектът на атомното отдаване може да се пренебрегне. В същото време фотоните на гама-лъчите притежават енергия, превишаваща от 10 хиляди до милион пъти енергията на видимата светлина, и отдаването става съществено. Когато атомното ядро излъчва фотон, появяващ се в резултат от отдаване, движението на ядрото предизвиква забележимо намаляване на енергията на фотона. В резултат от това излъченият фотон притежава не съвсем същата енергия (или дължина на вълната, или честота) като фотона, който може да бъде погълнат от даденото ядро. Затова при гама-лъчите обикновено не се наблюдава резонансна флуоресценция – при която излъчваните и поглъщащите фотони трябва да имат еднаква енергия .

Мьосбауер намира начин да постигне резонансна флуоресценция при гама-лъчите. Той използва за техен източник атоми на радиоактивен изотоп на метала иридий. Иридият има форма на кристално твърдо тяло, така че както излъчващите, така и поглъщащите атоми заемат фиксирано положение в кристалите. Като охлажда кристалите с течен азот, Мьосбауер открива с удивление, че флуоресценцията се е увеличила забележимо. Изучавайки това явление, той установява, че отделните ядра, излъчващи или поглъщащи гама-лъчи, предават импулса на взаимодействието непосредствено на целия кристал. Тъй като кристалът е много по-масивен от ядрото, при излъчваните и поглъщаните фотони не се наблюдава честотно изместване. Това явление, което ученият нарича „твърдо ядрено резонансно поглъщане на гама-излъчването“, днес се нарича ефект на Мьосбауер. Като всеки ефект, възникващ в твърдо тяло, той зависи от кристалната структура на веществото, от температурата и даже от наличието и на най-малки примеси. Мьосбауер доказва, че потискането на ядреното отдаване с помощта на ефекта на Мьосбауер позволява да се генерират гама-лъчи, чиято дължина на вълната е постоянна с точност до 109; други изследователи подобряват този резултат, като постигат стабилност с точност до 1014.

Отначало резултатите на Мьосбауер, публикувани през 1958 г., или се игнорират от учените, или се подлагат на съмнение. Но след една година, като признават потенциалната важност на ефекта на Мьосбауер, някои от тях повтарят неговите експерименти и резултатите се потвърждават. Фактът, че твърдото ядрено резонансно поглъщане дава възможност да се измери крайно малката разлика в енергиите на две системи, довежда до създаването на метод, който има редица важни приложения. Притежавайки изключително стабилна дължина на вълната и честота, флуоресцентните гама-лъчи се използват като изключително точен инструмент при измерването на гравитационното, електрическото и магнитното поле на малките частици.

Едно от първите приложения на ефекта на Мьосбауер се осъществява през 1959 г. в работата на Р. Паунд и Г. Ребка от Харвардския университет, които го използват за потвърждаване на предсказанията на Алберт Айнщайн, че гравитационното поле може да промени честотата на електромагнитното излъчване. Измерването на различната честота на гама-лъчите, възникнала от различните гравитационни полета в подножието и на върха на 70-футова кула, потвърждава изцяло общата теория за относителността на Айнщайн. Ефектът на Мьосбауер позволява също така да се получи информация за магнитните и електромагнитните свойства на ядрата и на заобикалящите ги електрони. Ефектът намира приложение и в такива разнообразни области като археологията, химическото катализиране, молекулния строеж, валентността, физиката на твърдото тяло, атомната физика и биологичните полимери.

Мьосбауер трябва да стане професор в Мюнхенския технически университет, но, като се разочарова от бюрократичните и авторитарните принципи на организационните структури в германските университети, той си взема през 1930 г. творческа отпуска и работи като стипендиант-изследовател в Калифорнийския технологичен институт, а след една година става там и професор. Но през 1964 г. Мьосбауер се връща в Германия, където заема поста професор във физическия факултет на Мюнхенския технически университет, като преобразява факултета според организационните структури на американските университети. Някои учени на шега наричат тази промяна в структурата на германското академично образование „втори ефект на Мьосбауер“. От 1972 до 1977 Мьосбауер ръководи института „Лауе-Ланжвен“ в Гренобъл (Франция).

През 1957 г. Мьосбауер се жени за Елизабет Приц, специалистка по дизайн, семейството има син и две дъщери. По време на свободното си време Мьосбауер свири на пиано, кара велосипед и се занимава с фотография.

Мьосбауер е член на Американското, Европейското и Германското физическо дружество, на Индийската академия на науките и на Американската академика на науките и изкуствата. Удостоен е с почетни докторски степени от Оксфордския, Лайчестърския и Гренобълския университет. Освен с Нобелова награда е удостоен с наградата за научни постижения на Американската изследователска корпорация (1960 г.), с наградата Рентген на Хесенския университет (1961 г.) и медала Елиът Кресон на Франклиновия институт (1961 г.).

Превод от руски: Павел Б. Николов