Рудольф Мессбауэр

Фотографія Рудольф Мессбауэр (photo Rudolf Messbauer)

Rudolf Messbauer

  • День народження: 31.01.1929 року
  • Вік: 88 років
  • Місце народження: Мюнхен, Німеччина
  • Громадянство: Німеччина

Біографія

Німецький фізик Рудольф Людвіг Мессбауэр народився в Мюнхені і був одним з двох дітей і єдиним сином Людвіга Мессбауера, фототехніка, і Эрны (в дівоцтві Ернст) Мессбауэр. Отримавши початкову освіту в місцевих школах, він вступив потім в некласичну середню школу Мюнхена, яку закінчив у 1948 р. Деякий час він працював в оптичній фірмі, після чого поступив в Мюнхенський технічний університет; в 1952 р. став бакалавром, в 1955 р. – магістром, а в 1958 р. – доктором. Протягом академічного 1953/54 р. працював викладачем математики в тому ж університеті. З 1955 по 1957 р. він був асистентом в Інституті медичних досліджень у Гейдельберзі, входив в Інститут Макса Планка, а в 1958 р. став стипендіатом-дослідником в Мюнхенському технічному університеті.

З 1850-х рр. було відомо, що деякі гази, рідини і тверді тіла (наприклад, фтористі сполуки) поглинають електромагнітне випромінювання (зазвичай видиме світло) і негайно знову його випромінюють (це явище отримало назву флуоресценції). У спеціальному випадку, відомому як резонансна флуоресценція, і що поглинається, і випускається випромінювання володіють однаковими енергією, довжиною хвилі і частотою. Важливу інформацію про будову атомів вдалося отримати, використовуючи аналогічне явище флуоресценції рентгенівських променів, в якому матеріал, збуджений поглинанням рентгенівських променів, випускає рентгенівські промені тієї ж довжини хвилі та частоти. Флуоресценція рентгенівських променів була виявлена і виміряна між 1915 і 1925 рр. Чарлзом Баркла і Каєм Сигбаном.

Флуоресцентне поглинання відбувається тільки в тому випадку, якщо енергія збудливого фотони (частинки електромагнітного випромінювання) дорівнює енергії, необхідної для порушення атома або його ядра. Однак енергія фотона залежить від руху атома, який його поглинає або випромінює: атом і фотон наближаються один до одного – енергія зростає; якщо ж вони віддаляються один від одного – енергія зменшується. Це ускладнює картину, оскільки саме явище випромінювання або поглинання фотона визначається його рухом відносно атома.

Процес випускання або поглинання фотона протікає із збереженням як енергії, так і імпульсу; іншими словами, сумарна енергія і сумарний імпульс фотона і атома повинні залишатися тими ж самими і до, і після цієї події. Звідси випливає, що, випромінюючи фотон, атом повинен відчувати віддачу. Енергія такої віддачі віднімається від енергії фотона, яка, отже, стає трохи менше тієї енергії, якою володів би фотон, якби такої віддачі не було.

Для фотонів видимого світла, які мають порівняно малою енергією і імпульсом, ефектом атомної віддачі можна знехтувати. У той же час фотони гамма-променів володіють енергією, що перевищує 10 тис. до мільйона разів енергію видимого світла, і віддача стає істотною. Коли атомне ядро випускає фотон, що з’являється в результаті віддачі рух ядра викликає помітне зменшення енергії фотона. У підсумку випромінюється фотон має не зовсім тією ж самою енергією (або довжиною хвилі або частотою), що і фотон, який може бути поглинений даної різновидом ядра. З цієї причини резонансна флуоресценція – при якій випускається і поглощаемый фотони повинні володіти рівними енергіями – зазвичай у гамма-променів не спостерігається.

М. знайшов спосіб домогтися резонансної флуоресценції гамма-променів. В якості джерела він використав атоми радіоактивного ізотопу металу іридію. Іридій має форму кристалічного твердого тіла, що випромінюють, так і поглинають атоми займають фіксоване положення в кристалах. Охолодивши кристали рідким азотом, він з подивом виявив, що флуоресценція помітно збільшилася. Вивчаючи це явище, він встановив, що окремі ядра, що випускають або поглинають гамма-промені, передають імпульс взаємодії безпосередньо всьому кристалу. Оскільки кристал набагато більш масивний, ніж ядро, у випромінюються і поглинаються фотонів частотний зсув не спостерігається. Це явище, яке М. назвав «пружним ядерних резонансним поглинанням гамма-випромінювання», нині носить назву ефекту Мессбауера. Як і всякий ефект, що виникає в твердому тілі, він залежить від кристалічної структури речовини, від температури і навіть від присутності дрібних домішок. М. показав, що придушення ядерної віддачі з допомогою ефекту Мессбауера дозволяє генерувати гамма-промені, довжина хвилі яких постійна з точністю до однієї мільярдної (109); інші дослідники поліпшили цей результат, домігшись стабільності з точністю до однієї сто трильйонної (1014).

Спочатку результати М., опубліковані в 1958 р., або ігнорувалися вченими, або піддавалися сумніву. Однак через рік, визнавши важливість ефекту Мессбауера, деякі з них повторили його експерименти, і результати підтвердилися. Той факт, що пружне ядерне резонансне поглинання робить можливим вимірювання вкрай малого розходження в енергії двох систем (лише б воно було досить велике, щоб перешкодити резонансної флуоресценції), призводить до методу, має цілий ряд важливих додатків. Володіючи виключно стабільною довжиною хвилі і частотою, флуоресцентні гамма-промені використовуються винятково точного інструменту при вимірах гравітаційного, електричного та магнітного полів малих частинок.

Одним з перших додатків ефекту Мессбауера стала в 1959 р. робота Р. В. Паунда і Р. А. Ребки з Гарвардського університету, які скористалися цим ефектом для підтвердження передбачення Альберта Ейнштейна про те, що гравітаційне поле здатне змінювати частоту електромагнітного випромінювання. Вимірювання зміни частоти гамма-променів, викликаного відмінністю гравітаційного поля біля підніжжя і нагорі 70-футової вежі, повністю підтвердило загальну теорію відносності Ейнштейна. Ефект Мессбауера дозволяє також отримати інформацію про магнітних і електричних властивостей ядер і оточуючих їх електронів. Цей ефект знаходить застосування в таких різноманітних галузях, як археологія, хімічний каталіз, будова молекул, валентність, фізика твердого тіла, ядерна фізика та біологічні полімери.

У 1961 р. М. отримав половину Нобелівської премії з фізики «за дослідження резонансного поглинання гамма-випромінювання і відкриття в цьому зв’язку ефекту, що носить його ім’я». З допомогою ефекту Мессбауера, сказав Айвар Валлер, член Шведської королівської академії наук, при презентації лауреата, «стало можливо дослідити такі важливі явища, які раніше перебували поза досяжності навіть для найбільш точних вимірів».

М. повинен був стати повним професором Мюнхенського технічного університету, але, розчарувавшись у бюрократичних і авторитарних принципах організаційних структур німецьких університетів, взяв у 1960 р. творча відпустка в Гейдельберзі і став стипендіатом-дослідником в Каліфорнійському технологічному інституті, а в наступному році став там професором. Проте в 1964 р. він повернувся до Німеччини, де зайняв посаду професора фізичного факультету Мюнхенського технічного університету, перетворивши його за зразком організаційних структур американських університетів. Деякі вчені в жарт називали це зміна в структурі німецького академічного освіти «другим ефектом Мессбауера». З 1972 по 1977 р. М. очолював Інститут Лауе – Ланжевена в Греноблі (Франція).

У 1957 р. М. одружився на Елізабет Притц, спеціалістка по дизайну, у них – син і дві дочки. На дозвіллі він грає на піаніно, катається на велосипеді та займається фотографією.

М. є членом Американського, Європейського та Німецького фізичних товариств, Індійської академії наук, Американської академії наук і мистецтв. Він удостоєний почесних докторських ступенів Оксфордського, Лейчестерского і Гренобльському університетів. Крім Нобелівської премії, він отримав нагороду за наукові досягнення Американської дослідницької корпорації (1960), премію Рентгена Гессенського університету (1961) і медаллю Еліота Крессона Франклиновского інституту (1961).