Efectul Mössbauer este un proces în care un nucleu emite sau absoarbe raze gamma fără pierdere de energie în urma unui recul nuclear. A fost descoperit de fizicianul german Rudolf L. Mössbauer în 1958 și s-a dovedit a fi remarcabil de util pentru cercetarea de bază în fizică și chimie. A fost folosit, de exemplu, pentru a măsura cu precizie micile schimbări de energie din nuclee, atomi și cristale induse de câmpuri electrice, magnetice sau gravitaționale. În cazul unei tranziții a unui nucleu de la o stare de energie superioară la o stare de energie inferioară, însoțită de emisia de raze gamma, emisia determină, în general, reculul nucleului, iar acesta preia energie din razele gamma emise. Astfel, razele gamma nu au suficientă energie pentru a excita un nucleu țintă care urmează să fie examinat. Cu toate acestea, Mössbauer a descoperit că este posibil să existe tranziții în care reculul este absorbit de un întreg cristal în care este legat nucleul emițător. În aceste condiții, energia care intră în recul este o parte neglijabilă din energia tranziției. Prin urmare, razele gamma emise transportă practic toată energia eliberată de tranziția nucleară. Astfel, razele gamma sunt capabile să inducă o tranziție inversă, în condiții similare de recul neglijabil, într-un nucleu țintă din același material ca și emițătorul, dar într-o stare de energie inferioară. În general, razele gamma sunt produse prin tranziții nucleare de la o stare instabilă de energie înaltă la o stare stabilă de energie joasă. Energia razelor gamma emise corespunde energiei tranziției nucleare, minus o cantitate de energie pierdută de atomul emițător sub formă de recul. Dacă energia de recul pierdută este mică în comparație cu lățimea liniei de energie a tranziției nucleare, atunci energia razei gamma corespunde în continuare energiei tranziției nucleare, iar raza gamma poate fi absorbită de un al doilea atom de același tip ca și primul. Această emisie și absorbție ulterioară se numește fluorescență rezonantă. În timpul absorbției se pierde, de asemenea, energie suplimentară de recul, astfel încât, pentru ca rezonanța să aibă loc, energia de recul trebuie să fie de fapt mai mică decât jumătate din lățimea de linie pentru tranziția nucleară corespunzătoare.
Cantitatea de energie din corpul de recul (ER) poate fi găsită din conservarea momentului:
| P R | = | P γ | {\displaystyle |P_{\mathrm {R} }|=|P_{\mathrm {\gamma } }|\},}
unde PR este impulsul materiei care se retrage, iar Pγ impulsul razei gamma. Înlocuind energia în ecuație se obține:
E R = E γ 2 2 2 M c 2 {\displaystyle E_{\mathrm {R} }={\frac {E_{\mathrm {\gamma } }^{2}}}{2Mc^{2}}}}
unde ER (0,002 eV pentru 57
Fe
) este energia pierdută ca recul, Eγ este energia razei gamma (14.4 keV pentru 57
Fe
), M (56,9354 u pentru 57
Fe
) este masa corpului emițător sau absorbant, iar c este viteza luminii. În cazul unui gaz, corpurile emițător și absorbant sunt atomi, astfel încât masa este relativ mică, rezultând o energie de recul mare, ceea ce împiedică rezonanța. (Rețineți că aceeași ecuație se aplică pentru pierderile de energie de recul în cazul razelor X, dar energia fotonică este mult mai mică, rezultând o pierdere de energie mai mică, motiv pentru care rezonanța în fază gazoasă ar putea fi observată cu ajutorul razelor X.)
Într-un solid, nucleele sunt legate de rețea și nu se recuperează în același mod ca în cazul unui gaz. Rețeaua ca întreg se recuperează, dar energia de recul este neglijabilă, deoarece M din ecuația de mai sus este masa întregii rețele. Cu toate acestea, energia dintr-un recul poate fi preluată sau furnizată de vibrațiile rețelei. Energia acestor vibrații este cuantificată în unități cunoscute sub numele de fononi. Efectul Mössbauer apare deoarece există o probabilitate finită de apariție a unei dezintegrări care nu implică fononi. Astfel, într-o fracțiune din evenimentele nucleare (fracțiunea fără recul, dată de factorul Lamb-Mössbauer), întregul cristal acționează ca un corp de recul, iar aceste evenimente sunt, în esență, fără recul. În aceste cazuri, deoarece energia de recul este neglijabilă, razele gamma emise au energia corespunzătoare și poate avea loc rezonanța.
În general (în funcție de timpul de înjumătățire al dezintegrării), razele gamma au lățimi de linie foarte înguste. Aceasta înseamnă că sunt foarte sensibile la schimbări mici în energiile tranzițiilor nucleare. De fapt, razele gamma pot fi utilizate ca o sondă pentru a observa efectele interacțiunilor dintre un nucleu și electronii săi și cei ai vecinilor săi. Aceasta este baza spectroscopiei Mössbauer, care combină efectul Mössbauer cu efectul Doppler pentru a monitoriza astfel de interacțiuni.
Tranzițiile optice zero-fonice, un proces foarte asemănător cu efectul Mössbauer, pot fi observate în cromoforii legați de rețea la temperaturi scăzute.
.