L’effet Mössbauer est un processus dans lequel un noyau émet ou absorbe des rayons gamma sans perte d’énergie à un recul nucléaire. Il a été découvert par le physicien allemand Rudolf L. Mössbauer en 1958 et s’est avéré remarquablement utile pour la recherche fondamentale en physique et en chimie. Il a été utilisé, par exemple, pour mesurer avec précision les petits changements d’énergie dans les noyaux, les atomes et les cristaux induits par des champs électriques, magnétiques ou gravitationnels. Lors d’une transition d’un noyau d’un état d’énergie supérieur à un état d’énergie inférieur, accompagnée d’une émission de rayons gamma, l’émission provoque généralement un recul du noyau, qui retire de l’énergie aux rayons gamma émis. Ainsi, les rayons gamma n’ont pas suffisamment d’énergie pour exciter un noyau cible à examiner. Cependant, Mössbauer a découvert qu’il est possible d’avoir des transitions dans lesquelles le recul est absorbé par un cristal entier dans lequel le noyau émetteur est lié. Dans ces circonstances, l’énergie qui entre dans le recul est une partie négligeable de l’énergie de la transition. Par conséquent, les rayons gamma émis transportent pratiquement toute l’énergie libérée par la transition nucléaire. Les rayons gamma sont donc capables d’induire une transition inverse, dans des conditions similaires de recul négligeable, dans un noyau cible de la même matière que l’émetteur mais dans un état d’énergie inférieur. En général, les rayons gamma sont produits par des transitions nucléaires entre un état instable de haute énergie et un état stable de basse énergie. L’énergie du rayon gamma émis correspond à l’énergie de la transition nucléaire, moins une quantité d’énergie perdue sous forme de recul pour l’atome émetteur. Si l’énergie de recul perdue est faible par rapport à la largeur de la ligne d’énergie de la transition nucléaire, l’énergie du rayon gamma correspond toujours à l’énergie de la transition nucléaire, et le rayon gamma peut être absorbé par un deuxième atome du même type que le premier. Cette émission et cette absorption ultérieure sont appelées fluorescence résonante. Une énergie de recul supplémentaire est également perdue pendant l’absorption, de sorte que pour que la résonance se produise, l’énergie de recul doit en fait être inférieure à la moitié de la largeur de raie de la transition nucléaire correspondante.
La quantité d’énergie dans le corps de recul (ER) peut être trouvée à partir de la conservation de la quantité de mouvement :
| P R | = | P γ | {\displaystyle |P_{\mathrm {R} }|=|P_{\mathrm {\gamma } }|,}
où PR est le momentum de la matière en recul, et Pγ le momentum du rayon gamma. En substituant l’énergie dans l’équation, on obtient:
E R = E γ 2 2 M c 2 {\displaystyle E_{\mathrm {R} }={\frac {E_{\mathrm {\gamma } }^{2}}{2Mc^{2}}}}
où ER (0,002 eV pour 57
Fe
) est l’énergie perdue en reculant, Eγ est l’énergie du rayon gamma (14.4 keV pour 57
Fe
), M (56,9354 u pour 57
Fe
) est la masse du corps émetteur ou absorbant, et c est la vitesse de la lumière. Dans le cas d’un gaz, les corps émetteurs et absorbants sont des atomes, la masse est donc relativement faible, d’où une grande énergie de recul, ce qui empêche la résonance. (Notez que la même équation s’applique aux pertes d’énergie de recul dans les rayons X, mais l’énergie des photons est beaucoup plus faible, ce qui entraîne une perte d’énergie plus faible, c’est pourquoi la résonance en phase gazeuse a pu être observée avec les rayons X.)
Dans un solide, les noyaux sont liés au réseau et ne reculent pas de la même manière que dans un gaz. Le treillis dans son ensemble recule mais l’énergie de recul est négligeable car le M de l’équation ci-dessus est la masse du treillis entier. Cependant, l’énergie d’un recul peut être absorbée ou fournie par les vibrations du treillis. L’énergie de ces vibrations est quantifiée en unités appelées phonons. L’effet Mössbauer se produit parce qu’il existe une probabilité finie qu’une désintégration se produise sans phonons. Ainsi, dans une fraction des événements nucléaires (la fraction sans recul, donnée par le facteur Lamb-Mössbauer), le cristal entier agit comme un corps de recul, et ces événements sont essentiellement sans recul. Dans ces cas, l’énergie de recul étant négligeable, les rayons gamma émis ont l’énergie appropriée et la résonance peut se produire.
En général (selon la demi-vie de la désintégration), les rayons gamma ont des largeurs de raies très étroites. Cela signifie qu’ils sont très sensibles aux petits changements dans les énergies des transitions nucléaires. En fait, les rayons gamma peuvent être utilisés comme une sonde pour observer les effets des interactions entre un noyau et ses électrons et ceux de ses voisins. C’est la base de la spectroscopie Mössbauer, qui combine l’effet Mössbauer avec l’effet Doppler pour surveiller ces interactions.
Les transitions optiques zero-phoniques, un processus étroitement analogue à l’effet Mössbauer, peuvent être observées dans les chromophores liés à un réseau à basse température.