穆斯堡尔效应的发现，本文主要内容关键词为：斯堡论文,效应论文,发现论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
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20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[198]Hg衰变为[198]Au时产生的4.11×10[5]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γ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10[4]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－莱布尼兹（Maier－Leibnitz）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：（1）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[191]Os衰变为[191]Ir时产生1.29×10[5] 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一一个同位素进口来源。此外，1.29×10[5]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射线中子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，第四份是施泰因韦德尔（H.Steinwedel）和延森（J.H.Jensen）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，而这窄线后采被我找到了。
测量共振荧光（共振散射）或共振吸收的装置示意图 由于源发出的光经过散射体共振吸收后，由探测器D[,1]记录荧光辐射，探测器D[,2]记录相应的透射强度的减弱，即所谓的吸收。
原子或核的能量状态 光源中的原子A从能量为Eex、寿命为Tex的激发态跳回到能量为Eg的基态而发出能量为E0＝Tex－Eg的电磁辐射光谱线，此过程称为光的发射；若一个散射体中有与光源中衰变的A类原子同样的原子，则散射体中的原子会从光源A吸收能量E0从而由基态跃迁到激发态，此过程称为共振吸收；若激发态的能量为Eex′，寿命为Tex′，能量差为E0′＝Tex′－Eg，则此过程称为非共振吸收。
1955年完成硕士论文后，我接受了迈尔－莱布尼兹教授的资助，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1.29×10[5]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，必须打报告给格丁根的马克斯·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）交替地放入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
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ω有关时，其线宽才可能窄至自然线宽Γ（爱因斯坦模型）。而在低温情况下完成的德拜谱总是随着ω[2]而增加的。按照经典的理论， 它的线宽总是比自然线宽Γ要宽，因为这样的谱可能形成一个包含任意个小频率的连续谱。这使得延森和施泰因韦德尔产生错觉去用经典的方法处理反冲谱线，而我的实验表明这是错误的。实验确实证明了M效应正是一种典型的量子力学现象。
气态原子核中发射线和吸收线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E[,0]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[,0]－E[,R]，E[,R]＝P[2][,光子]/2m[,原子]≈E[2][,光子]/2E[,0]。与此相似，吸收所需要的能量为跃迁能量E[,0]。加上反冲粒子的附加能量E[,R]，即E[,光子]＝E[,0]＋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[2][,光子]。
在与延森探讨之后，我到慕尼黑去请求论文指导教师的帮助。他建议我去访问德国各大理论物理研究所。
我接受了建议，但首先想自己再试一下。我重读了兰姆的文章。我想，兰姆有关中子俘获的工作是否也可以用于γ共振吸收呢？于是，我用计算尺（那时我们没有PC机）对共振作了级数展开，明显地发现了偏差。然后我用高中时所用的5 位数字对数表对此偏差计算了一遍又一遍。最后再用12位对数表重新计算，我得到了两个陡峭的上升点。
至此，实验结果可以理解了。我用正好等于共振能量的γ量子能量E[,γ]取代了中子俘获的能量，通过把相关的同位素放入晶格而完全避免了反冲能量E[,R]，然后观察到的γ量子只展现了由不确定性原理所决定的自然线宽Γ≈10[－5]电子伏，而不再是兰姆所得到的中子线宽Γ≈θ≈10[－2]电子伏。因此，当进行无反冲跃迁时，正好在共振位置上会出现一条窄的共振线。
这种情况可以比喻为一个人从一条船上扔一块石头。他把大部分能量给了石头，部分能量成了船反冲的动能。在夏季，船就全部吃进这个反冲能，而在冬天，从冻在湖里的船上扔石头，则几乎所有的能量都传给那块石头，船得到的能量微乎其微。整个湖将吸收掉反冲能而产生无反冲的过程。
在接下来的那段时间，我成功地完成了理论推导。根据我后来掌握的量子力学，首先推导了吸收线，接着推导了辐射线以及它们的交叠。在论文中我记录了观察到的准确地出现在共振位置上的两条不可思议的窄线。现在称它们为无反冲线或M线，其符号与预期的正好相反。 这可以解释为：随着温度的降低，超窄谱线的出现增加了它们的重叠，因而随着吸收增加而透射反而减少。我用这些研究结果完成了博士论文。
从海德堡回到慕尼黑，我想可以在当时德国刚刚拥有的第一台原子反应堆上工作，我准备做中子方面的工作。三个月后，我的第一篇文章印出来了。在看这篇文章时，我想到还没有完成实验上对M线的测量。 用线性多普勒效应是应该可以测量陡峭的共振线的。想到此，我是那样的兴奋，以致冲出走廊，没有敲门就直闯迈尔－莱布尼兹教授的办公室，并喊道：我将搭下一班火车去海德堡，因为我忘了做重要的实验。
听了我的想法后，迈尔－莱布尼兹教授同意我立即回海德堡。回去后，发现我的实验设备还在。当时我还非常担心，因为我已经寄了德文的预印本给比利时的穆恩教授和费城的梅茨格教授，他们是我主要的竞争对手。他们已经在许多年前做过多普勒位移的实验，是这方面的权威。
对于穆恩，我还有理由放心，因为我想他可能不懂德文。但是没料到一位德国移民就住在他隔壁，当然此人的德语很棒。于是我赶快直奔他那里。谢天谢地，他认为我是错的，因此穆恩并没有去做什么实验。
费城的梅茨格来自瑞士，懂德文，他甚至写信给我，认为我的计算是错的。因为考虑到两条线的重叠，我用（1/4）kT代替了（1/2）kT作为玻尔兹曼因子。我猜想梅茨格为了抢时间，他正在做多普勒实验。每天早晨我不无担忧地到马克斯·普朗克研究所的图书馆去关注那些新进的期刊。后来我才发现可以安心了，因为我的竞争者里没有人想到做多普勒位移实验。
为了搭建实验装置，我需要一个转台。首先我去了机械工场。但一个技术工人得化三天时间才能做出一个我所需要的轮子，而我需要完整的一套轮子系统。因此我跑到机械玩具店，去买了所有的齿轮。转台与轮子装配得不太好，转起来有点不灵活。所幸这并不碍事，因为我只需要移动具有自然线宽的窄谱线，所需的速度比我的竞争者要小得多，只相当于他的1/10[6]。
通过实验我明确地知道了将要得到是什么结果。我马上回到自己的研究所，那儿有德国仅有的一台可用的回旋加速器，我要求他们生产[57]Fe，但被拒绝了，也许是因为我要求的活性太高。我还到以前的论文导师那儿去征求对我文章的意见。在德国战后的这个时期，我想悄悄地总结工作的结果，尽可能不引人注目地把我的第一个多普勒实验结果发表在刊物上。 但写成后他们建议我发表在德国的《自然科学》（Naturwissenschaften）上。虽然论文仍然用德文撰写，但发表后在一周内就不断有人来索要，总共要了260个预印本。 事实证明我所希望的“低调”情况已不复存在。
我用两个故事作为结束。
在洛斯阿拉莫斯，有人打赌说我是错的，全部赌注是五分硬币。我想他们至少应该下一角硬币的赌注。
第二个故事是，1959年，一次我在海德堡作学术报告，正巧伯姆（F.Bohm）在那儿休年假，他也来听了。伯姆是加州理工学院的瑞士裔美国人，他向我要了一册预印本并寄给了杜蒙（J.DuMond），此人又将它转寄给了加州理工学院的两位著名的理论物理学家克里斯蒂（B.Christie）和费恩曼（D.Feynman）。这两位先生在晚上碰面后决定第二天早上交换对我那篇仍用德文撰写的论文的看法。费恩曼的评价是：不可思议，但没发现数学上的一点错误。于是就有了发到海德堡的那个出名的电报，上面只有几个字：“叫这小子来（Get the guy）”，署名是费恩曼。这就是我受邀于加州理工学院的起因。