Mössbauer-abszorpciós spektruma
A Mössbauer-effektus olyan folyamat, amelynek során egy atommag gammasugarakat bocsát ki vagy nyel el anélkül, hogy energiaveszteséget okozna a mag visszaverődése. Rudolf L. Mössbauer német fizikus fedezte fel 1958-ban, és figyelemre méltóan hasznosnak bizonyult a fizikai és kémiai alapkutatásokban. Használják például az atommagokban, atomokban és kristályokban elektromos, mágneses vagy gravitációs mezők által kiváltott kis energiaváltozások pontos mérésére. Egy atommag magasabb energiájú állapotból alacsonyabb energiájú állapotba való átmeneténél, amely gamma-sugárzás kibocsátásával jár, a kibocsátás általában az atommag visszahatását okozza, és ez energiát von el a kibocsátott gamma-sugárzásból. Így a gammasugarak nem rendelkeznek elegendő energiával a vizsgálandó célmag gerjesztéséhez. Mössbauer azonban felfedezte, hogy lehetségesek olyan átmenetek, amelyekben a visszahatás elnyelődik egy egész kristályban, amelyben a kibocsátó atommag le van kötve. Ilyen körülmények között a visszahatásba kerülő energia elhanyagolható része az átmenet energiájának. Ezért a kibocsátott gammasugarak gyakorlatilag az összes, a magátmenet által felszabaduló energiát magukban hordozzák. A gammasugarak így képesek hasonló, elhanyagolható visszarúgás mellett fordított átmenetet előidézni a kibocsátóval azonos anyagú, de alacsonyabb energiaállapotban lévő célmagban. Általában a gamma-sugárzást egy instabil, nagy energiájú állapotból egy stabil, alacsony energiájú állapotba történő magátmenet hozza létre. A kibocsátott gammasugárzás energiája megegyezik a nukleáris átmenet energiájával, mínusz egy olyan energiamennyiség, amelyet a kibocsátó atom visszahatásként elveszít. Ha az elveszett visszahatás energiája kicsi a nukleáris átmenet energiavonal-szélességéhez képest, akkor a gammasugár energiája még mindig megfelel a nukleáris átmenet energiájának, és a gammasugár elnyelhető egy második, az elsővel azonos típusú atom által. Ezt az emissziót és az azt követő abszorpciót rezonáns fluoreszcenciának nevezzük. Az abszorpció során további visszaverődési energia is elvész, így ahhoz, hogy rezonancia lépjen fel, a visszaverődési energiának valójában kisebbnek kell lennie, mint a megfelelő nukleáris átmenet vonalszélességének fele.
A visszaverődő testben (ER) lévő energia mennyisége az impulzusmegmaradásból állapítható meg:
| P R | = | P γ | {\displaystyle |P_{\mathrm {R} }|=|P_{\mathrm {\gamma}} }|\,}
ahol PR a visszahulló anyag lendülete, Pγ pedig a gammasugár lendülete. Az energiát behelyettesítve az egyenletbe megkapjuk:
E R = E γ 2 2 M c 2 {\displaystyle E_{\mathrm {R} }={\frac {E_{\mathrm {\gamma } }^{2}}{2Mc^{2}}}}
ahol ER (0,002 eV 57
Fe
esetén) a visszahatásként elveszett energia, Eγ a gamma sugárzás energiája (14.4 keV 57
Fe
esetén), M (56,9354 u 57
Fe
esetén) a kibocsátó vagy elnyelő test tömege, c pedig a fénysebesség. Gáz esetében a kibocsátó és elnyelő testek atomok, így a tömeg viszonylag kicsi, ami nagy visszaverődési energiát eredményez, ami megakadályozza a rezonanciát. (Megjegyzendő, hogy ugyanez az egyenlet érvényes a röntgensugárzás visszarúgási energiaveszteségére is, de a fotonok energiája sokkal kisebb, ami kisebb energiaveszteséget eredményez, ezért lehet gázfázisú rezonanciát megfigyelni röntgensugárzással.)
A szilárd testben az atommagok a rácshoz kötődnek, és nem visszarúgnak ugyanúgy, mint a gázban. A rács egésze visszapattan, de a visszapattanási energia elhanyagolható, mert a fenti egyenletben szereplő M az egész rács tömege. A bomlásban lévő energiát azonban a rácsrezgések felvehetik vagy szolgáltathatják. Ezeknek a rezgéseknek az energiáját fononokként ismert egységekben számszerűsítik. A Mössbauer-effektus azért jelentkezik, mert véges valószínűsége van annak, hogy olyan bomlás következik be, amely nem tartalmaz fononokat. Így a magesemények egy töredékében (a Lamb-Mössbauer-tényezővel megadott visszahatásmentes töredékben) a teljes kristály visszaható testként viselkedik, és ezek az események lényegében visszahatásmentesek. Ezekben az esetekben, mivel a visszahatás energiája elhanyagolható, a kibocsátott gammasugarak megfelelő energiával rendelkeznek, és rezonancia léphet fel.
A gammasugaraknak általában (a bomlás felezési idejétől függően) nagyon keskeny vonalszélességük van. Ez azt jelenti, hogy nagyon érzékenyek a nukleáris átmenetek energiáinak kis változásaira. Valójában a gammasugarak szondaként használhatók az atommag és elektronjai, valamint a szomszédos atommagok közötti kölcsönhatások hatásainak megfigyelésére. Ez az alapja a Mössbauer-spektroszkópiának, amely a Mössbauer-effektust a Doppler-effektussal kombinálja az ilyen kölcsönhatások megfigyelésére.
Zero-fonon optikai átmenetek, a Mössbauer-effektussal szorosan analóg folyamat, alacsony hőmérsékleten megfigyelhető a rácshoz kötött kromofórokonokban.