Der Mössbauer-Effekt ist ein Prozess, bei dem ein Kern Gammastrahlung emittiert oder absorbiert, ohne dabei Energie durch einen Kernrückstoß zu verlieren. Er wurde 1958 von dem deutschen Physiker Rudolf L. Mössbauer entdeckt und hat sich für die Grundlagenforschung in Physik und Chemie als außerordentlich nützlich erwiesen. Sie wurde beispielsweise zur präzisen Messung kleiner Energieänderungen in Kernen, Atomen und Kristallen verwendet, die durch elektrische, magnetische oder Gravitationsfelder hervorgerufen werden. Beim Übergang eines Kerns von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand, der mit der Emission von Gammastrahlen einhergeht, führt die Emission im Allgemeinen zu einem Rückstoß des Kerns, der den emittierten Gammastrahlen Energie entzieht. Daher haben die Gammastrahlen nicht genügend Energie, um einen zu untersuchenden Zielkern anzuregen. Mössbauer entdeckte jedoch, dass es Übergänge geben kann, bei denen der Rückstoß von einem ganzen Kristall absorbiert wird, in dem der emittierende Kern gebunden ist. Unter diesen Umständen ist die Energie, die in den Rückstoß geht, ein vernachlässigbarer Teil der Energie des Übergangs. Daher tragen die emittierten Gammastrahlen praktisch die gesamte Energie, die durch den Kernübergang freigesetzt wird. Die Gammastrahlen sind daher in der Lage, unter ähnlichen Bedingungen mit vernachlässigbarem Rückstoß einen umgekehrten Übergang in einem Zielkern zu bewirken, der aus demselben Material wie der Sender besteht, sich aber in einem niedrigeren Energiezustand befindet. Im Allgemeinen werden Gammastrahlen durch Kernübergänge von einem instabilen hochenergetischen Zustand zu einem stabilen niederenergetischen Zustand erzeugt. Die Energie der emittierten Gammastrahlung entspricht der Energie des Kernübergangs, abzüglich einer Energiemenge, die als Rückstoß für das emittierende Atom verloren geht. Wenn die verlorene Rückstoßenergie im Vergleich zur Energie-Linienbreite des Kernübergangs gering ist, entspricht die Gammastrahlenenergie immer noch der Energie des Kernübergangs, und die Gammastrahlung kann von einem zweiten Atom des gleichen Typs wie dem ersten absorbiert werden. Diese Emission und anschließende Absorption wird als Resonanzfluoreszenz bezeichnet. Bei der Absorption geht auch zusätzliche Rückstoßenergie verloren, so dass die Rückstoßenergie tatsächlich weniger als die Hälfte der Linienbreite des entsprechenden Kernübergangs betragen muss, damit Resonanz auftritt.
Die Energiemenge im Rückstoßkörper (ER) lässt sich aus der Impulserhaltung ermitteln:
| P R | = | P γ | {\displaystyle |P_{\mathrm {R} }|=|P_{\mathrm {\gamma }
wobei PR der Impuls der zurückprallenden Materie ist, und Pγ der Impuls der Gammastrahlung. Setzt man die Energie in die Gleichung ein, erhält man:
E R = E γ 2 2 M c 2 {\displaystyle E_{\mathrm {R} }={\frac {E_{\mathrm {\gamma } }^{2}}{2Mc^{2}}}}
wobei ER (0,002 eV für 57
Fe
) die als Rückstoß verlorene Energie ist, Eγ ist die Energie der Gammastrahlung (14.4 keV für 57
Fe
), M (56,9354 u für 57
Fe
) ist die Masse des emittierenden oder absorbierenden Körpers, und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Im Falle eines Gases sind die emittierenden und absorbierenden Körper Atome, so dass die Masse relativ klein ist, was zu einer großen Rückstoßenergie führt, die eine Resonanz verhindert. (Man beachte, dass die gleiche Gleichung für die Rückstoßenergieverluste bei Röntgenstrahlen gilt, aber die Photonenenergie ist viel geringer, was zu einem geringeren Energieverlust führt, weshalb die Gasphasenresonanz mit Röntgenstrahlen beobachtet werden kann.)
In einem Festkörper sind die Kerne an das Gitter gebunden und stoßen nicht in der gleichen Weise zurück wie in einem Gas. Das Gitter als Ganzes stößt zurück, aber die Rückstoßenergie ist vernachlässigbar, weil M in der obigen Gleichung die Masse des gesamten Gitters ist. Die Energie eines Zerfalls kann jedoch durch Schwingungen des Gitters aufgenommen oder abgegeben werden. Die Energie dieser Schwingungen wird in Einheiten quantifiziert, die als Phononen bezeichnet werden. Der Mössbauer-Effekt tritt auf, weil es eine endliche Wahrscheinlichkeit gibt, dass ein Zerfall ohne Phononen auftritt. Bei einem Teil der Kernereignisse (dem rückstoßfreien Anteil, der durch den Lamb-Mössbauer-Faktor gegeben ist) wirkt der gesamte Kristall als Rückstoßkörper, und diese Ereignisse sind im Wesentlichen rückstoßfrei. Da die Rückstoßenergie in diesen Fällen vernachlässigbar ist, haben die emittierten Gammastrahlen die entsprechende Energie, und es kann Resonanz auftreten.
Im Allgemeinen haben Gammastrahlen (abhängig von der Halbwertszeit des Zerfalls) eine sehr geringe Linienbreite. Das bedeutet, dass sie sehr empfindlich auf kleine Änderungen der Energien von Kernübergängen reagieren. Gammastrahlen können als Sonde verwendet werden, um die Auswirkungen von Wechselwirkungen zwischen einem Kern und seinen Elektronen und denen seiner Nachbarn zu beobachten. Dies ist die Grundlage für die Mössbauer-Spektroskopie, die den Mössbauer-Effekt mit dem Doppler-Effekt kombiniert, um solche Wechselwirkungen zu beobachten.
Zero-Phonon optische Übergänge, ein Prozess, der dem Mössbauer-Effekt sehr ähnlich ist, können in gittergebundenen Chromophoren bei niedrigen Temperaturen beobachtet werden.