Введение

    ЯРФ - процесс возбуждения ядерного состояния фотоном γ с энергией, соответствующей энергии возбуждения данного состояния, и последующим распадом с испусканием другого фотона γ` (в том числе и в основное состояние - так наз. чистая ЯРФ).

   
рис. В0

    ЯРФ - исключительно мощный метод изучения ядерной структуры. В нем поглощаемой и излучаемой частицей является фотон. Взаимодействие носит чисто электромагнитный характер, что позволяет получать модельно независимую информацию о ядерных состояниях.
    Кроме того, ЯРФ дает наивысшее энергетическое разрешение (~ 5-10 кэВ в районе 10 МэВ), что позволяет изучать отдельные (изолированные)  уровни ядра. (Другие способы возбуждения имеют худшее разрешение: (e,e')- 30-50 кэВ, (p, p'), (d, d') - 100-200 кэВ).
    Какова область энергий, доступных этому методу? Это область - ниже и в районе порога отделения нуклона из ядра, то есть там, где вероятность γ-распада возбужденного уровня достаточно велика.
Если ядро возбуждается до порога выбивания частицы x, то есть до E_γ B_x (B_x - энергия отделения частицы), то оно будет распадаться лишь обратным γ-испусканием в основное или возбужденное состояние с меньшей энергией, т.е. ширина распада Г будет целиком определяться шириной γ-распада:

Г = Г_γ.

Из соотношения неопределенностей Гτ , где τ - среднее время жизни состояния, следует, что вероятность распада состояния в единицу времени w = 1/τ = Г/. Если E_γ > B_x (ядро сильно возбуждено), то

Г = Г_x + Г_γ,  где Г_x = Г_р + Г_n + ...

Г_x - суммарная ширина распада с испусканием частиц (p, n, ...). Т.к. частицы испускаются обычно за счет сильного взоимодействия , то Г_x >>Г_γ.
    Однако, если E_γ B_x и немного выше ее, то Г_γ остается еще достаточно велико по сравнению с Г_x для уверенного наблюдения. В принципе с ростом E_γ роль γ-распада уровня в области E_γ > B_x падает и , кроме того, возрастает плотность ядерных уровней (они перекрываются) и область ЯРФ обычно не простирается выше 15 МэВ (чаще всего до 10 -12 МэВ). Эта область показана на схематическом рисунке (рис. В1.) зависимости сечения поглощения σ_γ фотонов ядром от энергии E_γ для типичного ядра.

 
рис. В1.

    Мы в основном будем говорить об области E_γ< B_x, где Г = Г_γ. С помощью ЯРФ помимо энергии изучаются следующие характеристики  γ-переходов:

1. Вероятность излучения и поглощения фотона (время жизни или ширина уровня).
2. Мультипольность ядерных γ-квантов (спин уровня).
3. Четность фотона (т.е. четность уровня).

    Физическая природа состояния определяется по этим трем характеристикам сравнением с теорией, которая расчитывает эти характеристики.
    Об уровнях с какими временами жизни идет речь в (,`) - процессах? Это обычно диапазон
10^-17 < τ < 10^-9 cек. Распады более короткие (вплоть до τ = 10^-23 сек.) присущи сильным взоимодействиям, более длинные - слабым. (времена слабых распадов ядер заключены в интервале 0.1 сек. - 10¹⁷ лет). Диапазон 10^-9 - 10^-1 сек. это также диапазон электромагнитных распадов (если не брать α-распады, подавленные кулоновским барьером), но отвечающий очень малым ширинам (вероятностям возбуждения) уровней.

    ЯРФ не удавалось долго осуществить. Причина: тот подход, который применим в атомной РФ (АРФ), не годится в ЯРФ. В АРФ для возбуждения уровня можно использовать излучение от перехода данного уровня в основное состояние:

рис. В2

Однако для ядерных уровней в силу большой отдачи ядра (ее надо учитывать дважды - при испускании фотона и при последующем его поглощении ядром) энергия фотона оказывается недостаточной, чтобы (даже с учетом ширины уровня) вновь его возбудить. Получим формулу для оценки отдачи ядра при испускании фотона:
При -переходе энергия перехода Е делится между -квантом и ядром отдачи (с массой М_я = М).

итак,

т.к. для фотонов с E_γ 10 МэВ, E_γ << 2Mc².

Задача В.1: найти ширины возбужденных состояний ядра ⁵⁷Fe если средние времена жизни этих состояний
τ(5/2) = 0.89·10^-8 с, τ(3/2) = 10^-7 с. Показать невозможность резонансного поглощения -квантов, полученных при распаде этих состояний покоящимися невозбужденными ядрами ⁵⁷Fe.

Решение:

Гτ = ћ, Г_(5/2) = ћ/τ_(5/2) = 0.74·10^-7 эB
Г_(3/2) = ћ/τ_(3/2) = 0.66·10^-8 эB
E_я(5/2) = E²_(5/2)/2Mc² = 0.14 эВ
E_я(3/2) =  E²_(3/2)/2Mc² = 1.7 10^-3 эВ
итак, отдача много больше ширины уровня и следовательно резонансное поглощение невозможно.

     Запишем полезную формулу, связывающую Г (в эВ) с τ (в сек.) или периодом полураспада t_1/2 (в сек.):

Г(эВ)τ(сек.) = 0.66 10^-15 0.7 10^-15
Г(эВ) t_1/2(сек.) = 0.45 10^-15 0.5 10^-15

    Итак, ЯРФ нельзя вызвать фотонами распада данного состояния из-за большой отдачи ядра. Это главная трудность осуществления ЯРФ. Впервые ЯРФ осуществил Moon, компенсировав отдачу движением источника за счет эффекта Доплера.
   В настоящее время ЯРФ осуществляется двумя путями:

1. Берут γ-линию от одного источника или реакции( например (n,γ)) и возбуждают уровень другого ядра, специально подбирая энергии источника и уровней так, чтобы они различались на величину отдачи.
2.  Используют непрерывное (тормозное γ-излучение). Данный метод используется в последнее время на непрерывных электронных пучках и наиболее удобен.

Ширина уровня связана с вероятностью w его распада (возбуждения) в единицу времени следующим соотношением:

Возбужденный уровень может распадаться не только в основное состояние, но и на белее низколежащий возбужденный уровень. Вероятность последнего определятся шириной Г_i . Суммарная радиационная ширина распада.

Здесь Г₀ - ширина распада в основное состояние.