1961年诺贝尔物理学奖核子结构和穆斯堡尔效应.docx
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1961年诺贝尔物理学奖核子结构和穆斯堡尔效应
1961年诺贝尔物理学奖——核子结构和穆斯堡尔效应
1961年诺贝尔物理学奖——核子结构和穆斯堡尔效应
1961年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州斯坦福大学的霍夫斯塔特（RobertHofstdter，1915—1990），以表彰他在电子受原子核散射的先驱性研究及由此获得的核子结构的发现；另一半授予德国慕尼黑技术学院和美国加利福尼
ssbuer，1929—），以表彰
亚州帕萨迪那加州理工学院的穆斯堡尔（RudolfM
他对γ辐射的共振汲取的研究和发现与此联系的以他的名字命名的效应。
霍夫斯塔特是斯坦福大学两英里（3km）长直线加速器中心（SLC）的主要负责人。
他和他的合利用这XX设备发现质子和中子（通称核子）是内部相当复杂的物体，而不是过去假设的那种类点性的或“基本”的粒子。
他们测量了这两个粒子的电荷和磁矩的大小和分布。
或者说，他测出了这两个核子的四个电磁形状因子。
每个核子各有电的和磁的形状因子，所以共有四个形状因子。
形状因子是核物理学中的一个技术术语，用以描述粒子与其它粒子以及场是如何相互作用的。
因此，形状因子要比一般的大小和形状更具普遍意义。
霍夫斯塔特不但发现核子的形状因子确实存在，而且了解到这些因子是如何起作用的，他的成果导致了理论物理学家，特别是南部阳一郎（Y.Nmbu）提出新型重介子的存在。
后来（1961年），这些重介子陆续发现，它们是ρ介子、ω介子、ψ介子等等。
这些介子在核子间的力和相互作用上起着重要作用。
霍夫斯塔特还测定了许多原子核的大小和形状，并从这些研究出发，发现了原子核基本结构的框架。
霍夫斯塔特知道了核物质是怎样才得以把自己安排在最稳定的状态。
他发现原子核会在自身周围组成表面层，原子核的平均半径服从一个定律，即半径R随核的质量数的立方根变化：
R=1.07×10-131/3cm
在做这些研究的过程中，他测定了氘、氚、氦-3、α粒子、碳、氧和钙等原子核的大小和形状。
当霍夫斯塔特离开普林斯顿大学到斯坦福大学就任新职位时，他知道那里有一座庞大的加速器正在修建。
他对能用这XX新设备做些什么想得很多。
对他来说，这使他有可能“看到”原子核的内部，从而有可能确定质子和中子在核内是怎样联系的。
这件工作可以和早年在原子分子领域所作的工作类比。
G.P.汤姆孙及其他人曾用50keV的X射线和电子束显示衍射花样，从而明确地显示出了原子中的电子结构。
霍夫斯塔特认识到类似的结果也可以从原子核得到，只要把尺度减小一万倍。
要达到这个目的，需要有100MeV～500MeV的电子束，而不是50keV。
能量为100MeV～500MeV的电子束，其波长比大多数原子核小得多，因此就可以充当“炮弹”打到原子核内，以探测原子核和核子。
霍夫斯塔特的方法是把一束强大的能量单一的电子以高速轰击靶子，靶子内含有待研究的原子核，轰击后发生散射，再检测和统计散射到不同角度的电子数。
需要知道的是碰撞是弹性的相互作用还是非弹性的相互作用，也就是说，电子弹回时有没有使被轰击的核激发甚至被击破，或者有没有发生某种相互作用使原子核激发或蜕变。
这是靠一XX庞大的磁谱仪完成的。
用切连科夫计数器可以精确地探测电子，而无本底干扰。
1953年—1956年就是用这XX仪器研究过许多原子核的角度图像。
很快就测定了原子核外表面有一层逐渐变化的“皮肤”。
这层“皮肤”的厚度对
所有各种原子核基本相同（约为2.4×10-13cm）。
还观测到核的内部具有均匀的密度。
1954年霍夫斯塔特认识到，他的方法有足够的威力可以研究质子和中子，他和研究生迈克阿利斯特（R.W.Mcllister）马上转向寻求有关质子结构的证据。
他们惊奇地发现，在当时所采纳的能量（大约为188MeV）的条件下可以很容易地探测到质子的结构。
他们确切地证明了质子不是点状的。
霍夫斯塔特和迈克阿利斯特还测定了α粒子的精确大小。
霍夫斯塔特进一步又探测了中子。
他和另一位研究生伊利安（M.R.Yerin）研究了氘核，他们观测到明确的事实，即中子和质子在体积上是一样的。
在很多方面中子的结构与质子相似，甚至中子的磁性形状因子和质子的也一样。
从这点开始，霍夫斯塔特的斯坦福小组作出了长期努力，对中子和质子的四个形状因子取得了更精确的测量结果。
他们经过反复测试，判定这些数据都是可重复的。
他们反复验证所作的发现。
1950年康奈尔大学也有一个小组用类似的方法研究质子，但用的是环形加速器，而不是直线加速器，他们完全证实了斯坦福的结果。
从此对原子核和核子的研究登上了一个新的XX阶。
霍夫斯塔特及其合还证明了原子核的共振能级也可用电子散射的方法进行研究。
这就进一步开发了一种新的手段：
通过核能级的非弹性激发来研究原子核。
霍夫斯塔特1915年2月5日出生于美国纽约，1935年以优异的成绩毕业于纽约市立学院，随后获奖学金到普林斯顿大学学习物理，1938年同时得硕士学位和博士学位。
然后霍夫斯塔特留在普林斯顿做博士后研究。
第二次世界大战期间霍夫斯塔特在美国GJ标准局工作，1948年发现碘化钠被铊激活后可制成NI（Tl）晶体闪烁计数器。
这种计数器后来得到广泛应用。
1950年霍夫斯塔特转斯坦福大学任教，正好这时斯坦福大学建筑的直线加速器SLC马上完工。
从此他把毕生的精力奉献给了加速器事业和核物理学。
如果说，霍夫斯塔特对核结构的研究是一项基础研究，打开了了解核子结构的大门，那么，穆斯堡尔发现的穆斯堡尔效应则不但为核物理开发了新的研究途径，而且还以席卷之势迅速地运用于许多学科领域并马上取得了丰硕成果。
这些领域涉及物理学许多分支以及化学、生物学、地质学、冶金学、材料科学、环境科学和考古学等等方面，形成了一门新的跨学科领域——穆斯堡尔谱学。
穆斯堡尔效应指的是γ射线的无反冲发射和共振汲取效应，这是核物理学中的一种特别现象。
共振汲取的概念由来已久，瑞利在19世纪末就估计到原子体系中有可能产生共振现象。
1904年伍德（R.W.Wood）用钠光源实现了原子的共振荧光。
他把钠焰发出的D黄线照耀装有钠蒸气的透明容器，被容器挡住的屏幕虽然出现阴影，但在容器周围却显示了同一频率的荧光。
为了实现原子核的共振汲取，人们曾作过如下几种尝试：
（1）比较法。
1929年库恩（W.Kuhn）首先试图在实验中观测到原子核的共振荧光。
他认识到，汲取体中的原子核必须跟放射源的原子核相同，才有可能实
上。
同时，现共振汲取。
他将钍蜕变为铅208的过程中所辐射的γ射线打到PbCl
2
，比较两者的差异。
可是经过成百次的对比实验都没有得以镭放射源照耀PbCl
2
到预期效果。
两者没有可察觉的差异。
以后的一二十年，人们一直沿着他的思路继续试验，均未奏效。
原因显然是他们没有估量到原子核反冲的破坏作用。
（2）多普勒频移法。
1951年默恩（P.B.Moon）系统地分析了反冲作用引起的能量变化，认识到库恩实验失败的根本原因在于未考虑原子核的反冲。
他提出，
如果利用多普勒效应，使发射源处于高速运动状态以补偿γ射线因原子核反冲而损失的能量，这个速度v只要满足：
Eγ·v/c=2ER
为γ就可以使发射谱和汲取谱部分重叠，因此有可能实现共振汲取。
式中E
γ
射线光子的能量，E
为核反冲能量，c为光速。
R
他把放射源198u镀在钢制转子边缘的某处上，用超速离心机使转子边缘以800m/s的高速旋转。
198u经β蜕变形成198Hg并发射0.411MeVγ射线。
γ射线由水银接收，并用盖革计数器检测散射的γ射线，经过反复试验，终于观察到了γ射线的共振效应。
尽管这个实验条件要求太苛刻，难以付诸实际应用，但仍不失为第一次成功的试验，因此颇引人注目。
（3）升温法。
1953年马姆福斯（K.G.Mlmfors）采纳另一种方法产生多普勒效应，也观测到了γ共振。
他把放射源和汲取体的温度升高，使原子热运动加剧，从而把发射谱和汲取谱展宽到足够的程度。
当两曲线出现一定的重叠时，就有可能产生共振汲取。
这一做法的缺点是共振谱线远宽于自然线宽，根本体现不出核跃迁自然线宽极窄的特点，所以无法马上找到直接的应用，也就未能引起很大反响。
有没有更好的办法来实现γ共振？
如何使谱线宽度接近自然线宽，从而观测核能级跃迁的超精细结构？
怎样利用这一共振效应？
这些问题激励着科学家们进一步向前探究。
这时，德国海德堡马克斯·普朗克研究所的研究生穆斯堡尔正在梅尔-莱伯尼茨（H.Mier-Leibnitz）教授名下作博士论文。
梅尔-莱伯尼茨教授建议他抓住核共振荧光的课题，并采纳马姆霍斯的方法进行研究。
穆斯堡尔最初的工作是测量铱191的129keVγ辐射的寿命，他所采纳的实验方案与马姆福斯等人不同的地方在于：
他不是测共振散射，而是测共振汲取强度。
测共振散射，必须考虑弹性散射和康普顿散射引起的本底，实验变得十分困难。
如果在汲取中测量核共振效应，就可以幸免上述困难。
然而由于这一效应，特别是对软γ辐射的情况，比起原子壳层的汲取效应小得多，所以要由汲取实验测核能级寿命，对测量仪器精确度和稳定度的要求特别高。
穆斯堡尔认为，马姆福斯最先用到的方法看来特别适合这项测量。
在这个方法中，用升高温度的办法使发射谱线和汲取谱线增宽，从而增加两谱线互相重叠的程度。
如果因为反冲能量损失所导致的发射谱线和汲取谱线的相对位移，只不过是与线宽同数量级，温度升高就可以获得可测量的核汲取效应。
对于191Ir的129keV跃迁，由于光子能量较小，谱线位移不大，即使在室温下两谱之间也有相当显著的重叠。
这样，不但温度增加，即使温度减小，也有可能在核汲取中得到可观测的变化。
他在这两种可能性中选择了降低温度的方案。
这主要是考虑在低温下比在高温下更容易得到化学束缚效应。
在实验过程中这一假设以意想不到的方式得到证明。
把放射源和汲取体同时用液空冷却得到了令人费解的结果。
他起初以为是汲取体冷却造成的某种效应。
为了消除这些不需要的副效应，他把汲取体留在室温下，仅仅令放射源冷却。
经过十分冗长的实验（实验要求仪器极端稳定），得到的结果和预期的一致：
比室温时汲取得略微少些，这些测量结果的计算最后得出了待测的寿命值。
第二轮实验中，穆斯堡尔试图解释早先实验中同时冷却放射源和汲取体时出现的那些副效应。
这一尝试的结果令人震惊：
当汲取体冷却时，汲取不是按预期减小，而是猛烈增大。
这一结果跟理论估计完全相反。
穆斯堡尔先后用铱（Ir）和铂（Pt）作为汲取体，分别测其透射
射源的温度从88K升温到370K。
实验结果表明，随着温度的升高，透射强度剧增，也就是说，共振汲取剧减。
面对这意想不到的结果，穆斯堡尔冷静地作出了理论分析。
他注意到兰姆（XX:
//.docsj/doc/942511c59ec3d5bbfd07426.htmlmb）关于晶体中原子对中子的俘获过程的论文。
这篇论文发表在1939年的《物理评论》，讨论慢中子受晶体的弹性散射。
兰姆假设在核能级跃迁时晶体的晶体状态不发生任何变化。
这一前提给穆斯堡尔很大启发，使他认识到降温后截面增大（即透射强度比减小）的原因可能就是由于原子核与晶体间的束缚增强的缘故。
兰姆研究的对象虽然不同，但处理方法完全可以借鉴。
穆斯堡尔借助于这一现成的结论模式，把它移植到γ辐射的共振汲取问题上，很快就作出了理论计算。
按照这一思想很容易推想到，如果原子核完全被晶体束缚住，就可以得到更大的共振汲取截面，穆斯堡尔领悟到，这正是无反冲γ共振。
他这样解释无反冲γ共振：
束缚在晶体内的原子核在发射或汲取一个量子时，一般会使汲取反冲动量的晶格振动态发生变化。
由于内能的量子化，晶体只能以分立的数量汲取反冲能量。
随着温度的降低，内部能态被激发的几率越来越小。
所以对于一部重量子跃迁的软γ射线来说，晶体将作为一个整体来汲取反冲动量。
由于晶体具有很大质量，在这种情况下发射或汲取的能量实际
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