穆斯堡尔效应的发现

穆斯堡尔（科学2001，3．46～49）

研究背景

γ射线无反冲核共振吸收（常简称M效应），是共振荧光的一种。事实上，我的故事开始于本世纪初．那时英国物理学家伍德（R．Wood）通过观察钠蒸气黄线的共振散射，成功地发现了共振荧光的存在．光共振现象可以用原子能级来解释，但对γ辐射的核共振现象来说，即把原子能级代之以核能级，情况并不明显相当．早在1929年，库恩（W．Kuhn）就指出了光现象与核现象的差别。他指出，即使在气体中，光学跃迁时的反冲作用仍小于多普勒宽度．而对于γ跃迁，反冲起主要作用．但库恩文章发表以后的ZO年中没有什么实质性进展．直到1951年，伯明翰的穆恩（P．B．Moon）通过198Hg衰变为198An时产生的4．11×105电子伏的γ辐射，在一台超速离心机的末端第一次观察到了核共振荧光．他把，射线辐射源加速到670米／秒的高速，使线性多普勒效应补偿了源和吸收体之间的能量亏损．在他的实验中，散射截面增加了104倍，用这种方法观察到了核共振现象．

另一个方法是由挪威物理学家马尔姆福斯（K．G．Malmfors）提出的．他利用加热过程增加了发射线和吸收线之间的重叠部分，从而观察到了核共振荧光．之后几年里，穆恩和费城富兰克林研究所（Franklin Institute of Philadelphia）的梅茨格（F．Metzger）做了不少包括核共振荧光在内的实验，他们主要应用了超速离心机，也利用了上述的跃迁和核反应时的反冲．这些实验还测出了约50种核激发态的寿命．后来马尔姆福斯对这些实验作了综述．

前期工作

我自己的研究工作开始于1953年．论文指导教师是迈尔一莱布尼兹（Maier－Leib士ti）教授。他让我硕士论文和博士论文做同一个题目，建议我把马尔姆福斯的加热方法用于另一种同位素．从1953年夏到1955年3月期间，我在慕尼黑完成了硕士论文．

根据导师的建议，我完成了两项工作：（l）制作12个正比计数管．这组计数管对被测同位素有约5％的总效率。这在当时是一个世界纪录，当然这样的效率远不能满足以后进一步的实验要求．（2）1953年12月，我选择了191Os衰变为191Ir时产生1．29×105电子伏的跃迁作实验观察．

我之所以这样选择是因为：首先，该跃迁能量对于做加热实验足够低．其次，这种放射性同位素能够在商品目录里查到。那时候德国没有自己的反应堆，而由我导师提供的目录是德国唯—一个同位素进口来源．此外，1．29 ×105电子伏能态的寿命尚未知，对它的测定可以成为我论文的新结果．

导师还给了四份预印本供我使用，其中两份与穆恩的工作有关，第三份是基于兰姆（W．E．Lamb）在γ射线中于俘获方面的著名论文，这在后来用于我对测量结果进行理论解释，第四份是施泰国韦德尔（H．Steinwedel）和延森（H．Jense）的理论文章，该论文包含了兰姆文章中关于获得窄线不可能性的数学论证，而这窄线后来被我找到了．

1955年完成硕士论文后，我接受了迈尔一莱布厄兹教授的资助，去海德堡的马克斯·普朗克（MaxPlanck）医学研究所工作。该研究所有三个子研究所，其中物理研究所由博特（W．Bothe）教授领导，他于1954年因发现符合法而获得诺贝尔奖，不幸的是他于半年后逝世。我毫不迟疑地接受了这个资助，因为这本是我的一个梦想．我现在还意识到：如果当时仍留在慕尼黑，可能我根本不会成功．

我于1955年5月去了海德堡，并在那儿开始了我的博士论文．我在海德堡的工作有几个主要的变化．我用NaI计数器代替在慕尼黑用的正比计数管，它对1．29×105电子伏辐射的效率接近100％．结果证明这个决定对

于我以后的工作是关键性的．

与在慕尼黑相比，虽然完整的电子设备仍要自己制作，但马克斯·普朗克研究所有能力购买电子元器件，或者有自己制造的完好的电子学设备。这使得测量精度提高到10－4量级．

反应辐射实验需要光谱纯的物质，而当时的政府规定，必须打报告给格了根的马克斯·普朗克学会才能购买，因为马克斯·普朗克学会是准许与英国进行贸易的唯一地方。但是最后，我没有打报告而直接写信给英国。当然严格说来这是违法的．运气很好，一位英国女士帮我开后门买到了非常需要的放射源。在那个时候，一位英国女士去帮助一个德国穷学生是多么不寻常的事！没有她的帮助，我可能不会成功．

我可以按照导师的建议，像以前马尔姆福斯所做的那样去提高实验温度．但是我想，把温度降低到液氮的沸点，应该与升高温度获得同样的能量差．正好，在我们海德堡的研究所里有液氮。我觉得制造一个致冷器比建造一个加热炉要简单得多，于是我决定走降低温度的路子．这个决定对我以后的发现至关重要．这个致冷器由一个杜瓦瓶和插入件组成，不需要抽真空，它可以把一个共振吸收体（铱）和一个非共振吸收体（铂）交替地放人γ射线束内。在实验过程中，这个旋转系统由于周围结满了霜而被卡住不动了，但通过用餐巾纸擦拭杜瓦瓶周围的霜，该系统工作得相当出色．

我在海德堡建成了两套实验装置，分别用△I／I为0．1％和0．01％的不同的强度差，但只有后一套装置以最后达到△I／I≈（2．7±0．7）×10－4的结果运转．这个结果与预期的大致相符，但符号却出现了错误．当温度降低时应该引起发射谱线与吸收谱线重叠部分减小，并导致透射强度的增加。可是观察到的结果却相反．

发现效应

起先，我考虑是否由于杂质引起这个效应，结果没有发现．然后我请教了延森教授，他让我自己思考，但他认为，如果有什么奇怪的现象发生，一定可以在兰姆的文章中找到答案。当然，延森在兰姆文章的基础上自己也写了文章．

我必须承认自己当时实在太笨，难以理解文章中的量子力学论证．要说明的是，当时在慕尼黑获得硕士学位并不要求掌握量子力学，但是，海德堡的情况完全不同。以我的那点

量子力学水平，我根本不可能理解延森的文章内容。但这也是一个实际的例子，说明年轻人往往会用年长者、有经验者、知识丰富者通常不会采用的非常规方法去解决问题．

延森当时作了一个经典的假设，即当光谱只与一个频率．

有关时，其线宽才可能窄至自然线宽广（爱因斯坦模型）．而在低温情况下完

成的德拜谱总是随着ω2而增加的按照经典的理论，它的线宽总是比气态原子核中发射线和吸收钱之间因反冲能产生相对位移从激发态向基态跃迁所产生的能量E0可分为两部分，其中大部分交给能量为E光子的光子，一小部分作为反冲粒子的能量E R，即E光子=E O－E R，ER＝p2光子／2m原子≈E2

光子／2E0．与此相似，吸收所需要的能量为跃迁能量从加上反冲粒子的附加能量E R，即E光子=E O－E R．结果在发射线和吸收线之间存在着2E R的能量差，E R正比于E光子．