Efecto Mössbauer

Espectro de absorción Mössbauer del 57Fe

El efecto Mössbauer es un proceso en el que un núcleo emite o absorbe rayos gamma sin pérdida de energía por un retroceso nuclear. Fue descubierto por el físico alemán Rudolf L. Mössbauer en 1958 y ha demostrado ser notablemente útil para la investigación básica en física y química. Se ha utilizado, por ejemplo, para medir con precisión pequeños cambios de energía en núcleos, átomos y cristales inducidos por campos eléctricos, magnéticos o gravitacionales. En la transición de un núcleo de un estado de energía superior a otro inferior con la consiguiente emisión de rayos gamma, la emisión generalmente hace que el núcleo retroceda, y esto toma energía de los rayos gamma emitidos. Por lo tanto, los rayos gamma no tienen suficiente energía para excitar un núcleo objetivo para ser examinado. Sin embargo, Mössbauer descubrió que es posible tener transiciones en las que el retroceso es absorbido por todo un cristal en el que el núcleo emisor está unido. En estas circunstancias, la energía que entra en el retroceso es una parte insignificante de la energía de la transición. Por lo tanto, los rayos gamma emitidos transportan prácticamente toda la energía liberada por la transición nuclear. De este modo, los rayos gamma pueden inducir una transición inversa, en condiciones similares de retroceso insignificante, en un núcleo objetivo del mismo material que el emisor pero en un estado energético inferior. En general, los rayos gamma se producen por transiciones nucleares de un estado inestable de alta energía a un estado estable de baja energía. La energía del rayo gamma emitido corresponde a la energía de la transición nuclear, menos una cantidad de energía que se pierde como retroceso en el átomo emisor. Si la energía de retroceso perdida es pequeña en comparación con el ancho de línea de energía de la transición nuclear, la energía de los rayos gamma sigue correspondiendo a la energía de la transición nuclear, y el rayo gamma puede ser absorbido por un segundo átomo del mismo tipo que el primero. Esta emisión y posterior absorción se denomina fluorescencia resonante. También se pierde energía de retroceso adicional durante la absorción, por lo que para que se produzca la resonancia la energía de retroceso debe ser realmente inferior a la mitad del ancho de línea de la transición nuclear correspondiente.

La cantidad de energía en el cuerpo de retroceso (ER) puede encontrarse a partir de la conservación del momento:

| P R | = | P γ | {\displaystyle |P_{mathrm {R} }|=|P_{mathrm {\gamma } donde PR es el momento de la materia en retroceso, y Pγ el momento del rayo gamma. Sustituyendo la energía en la ecuación se obtiene: E R = E γ 2 2 M c 2 {\displaystyle E_{mathrm {R} }={frac {E_{mathrm {\gamma } } }^{2}}{2Mc^{2}}}}

E_{{mathrm {R}}={\frac {E_{mathrm {\gamma }}^{2}}{2Mc^{2}}

donde ER (0,002 eV para 57
Fe
) es la energía perdida como retroceso, Eγ es la energía del rayo gamma (14.4 keV para 57
Fe
), M (56,9354 u para 57
Fe
) es la masa del cuerpo emisor o absorbente, y c es la velocidad de la luz. En el caso de un gas, los cuerpos emisor y absorbente son átomos, por lo que la masa es relativamente pequeña, lo que da lugar a una gran energía de retroceso, que impide la resonancia. (Obsérvese que la misma ecuación se aplica a las pérdidas de energía de retroceso en los rayos X, pero la energía de los fotones es mucho menor, lo que da lugar a una menor pérdida de energía, razón por la cual la resonancia en fase gaseosa podría observarse con los rayos X.)

En un sólido, los núcleos están unidos a la red y no retroceden de la misma manera que en un gas. La red en su conjunto retrocede pero la energía de retroceso es despreciable porque la M de la ecuación anterior es la masa de toda la red. Sin embargo, la energía en una descomposición puede ser tomada o suministrada por las vibraciones de la red. La energía de estas vibraciones se cuantifica en unidades conocidas como fonones. El efecto Mössbauer se produce porque hay una probabilidad finita de que se produzca una desintegración en la que no haya fonones. Así, en una fracción de los eventos nucleares (la fracción libre de retroceso, dada por el factor Lamb-Mössbauer), todo el cristal actúa como cuerpo de retroceso, y estos eventos son esencialmente libres de retroceso. En estos casos, como la energía de retroceso es despreciable, los rayos gamma emitidos tienen la energía adecuada y puede producirse la resonancia.

En general (dependiendo de la vida media de la desintegración), los rayos gamma tienen anchos de línea muy estrechos. Esto significa que son muy sensibles a pequeños cambios en las energías de las transiciones nucleares. De hecho, los rayos gamma pueden utilizarse como sonda para observar los efectos de las interacciones entre un núcleo y sus electrones y los de sus vecinos. Esta es la base de la espectroscopia Mössbauer, que combina el efecto Mössbauer con el efecto Doppler para monitorizar dichas interacciones.

Las transiciones ópticas de cero fonones, un proceso estrechamente análogo al efecto Mössbauer, pueden observarse en los cromóforos unidos a la red a bajas temperaturas.

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