L’effetto Mössbauer è un processo in cui un nucleo emette o assorbe raggi gamma senza perdita di energia per un rinculo nucleare. È stato scoperto dal fisico tedesco Rudolf L. Mössbauer nel 1958 e si è dimostrato notevolmente utile per la ricerca di base in fisica e chimica. È stato usato, per esempio, per misurare con precisione piccoli cambiamenti di energia in nuclei, atomi e cristalli indotti da campi elettrici, magnetici o gravitazionali. In una transizione di un nucleo da uno stato di energia superiore a uno inferiore con l’emissione di raggi gamma che lo accompagna, l’emissione generalmente causa il rinculo del nucleo, e questo prende energia dai raggi gamma emessi. Così i raggi gamma non hanno energia sufficiente per eccitare un nucleo bersaglio da esaminare. Tuttavia, Mössbauer scoprì che è possibile avere transizioni in cui il rinculo è assorbito da un intero cristallo in cui il nucleo emittente è legato. In queste circostanze, l’energia che va nel rinculo è una parte trascurabile dell’energia della transizione. Pertanto, i raggi gamma emessi portano praticamente tutta l’energia liberata dalla transizione nucleare. I raggi gamma sono quindi in grado di indurre una transizione inversa, in condizioni simili di rinculo trascurabile, in un nucleo bersaglio dello stesso materiale dell’emettitore ma in uno stato di energia inferiore. In generale, i raggi gamma sono prodotti da transizioni nucleari da uno stato instabile ad alta energia a uno stato stabile a bassa energia. L’energia del raggio gamma emesso corrisponde all’energia della transizione nucleare, meno una quantità di energia che viene persa come rinculo dall’atomo emittente. Se l’energia di rinculo persa è piccola rispetto alla larghezza della linea energetica della transizione nucleare, allora l’energia del raggio gamma corrisponde ancora all’energia della transizione nucleare, e il raggio gamma può essere assorbito da un secondo atomo dello stesso tipo del primo. Questa emissione e il successivo assorbimento sono chiamati fluorescenza risonante. Durante l’assorbimento viene anche persa ulteriore energia di rinculo, quindi perché si verifichi la risonanza l’energia di rinculo deve essere effettivamente inferiore alla metà della larghezza di linea per la corrispondente transizione nucleare.
La quantità di energia nel corpo in rinculo (ER) può essere trovata dalla conservazione della quantità di moto:
| P R | = | P γ | {\displaystyle |P_{\mathrm {R} }=|P_{\mathrm {\gamma }
dove PR è il momento della materia in rinculo, e Pγ il momento del raggio gamma. Sostituendo l’energia nell’equazione si ottiene:
E R = E γ 2 2 M c 2 {displaystyle E_{mathrm {R} }={frac {E_{mathrm {gamma } 2Mc^{2}}}}
dove ER (0,002 eV per 57
Fe
) è l’energia persa come rinculo, Eγ è l’energia del raggio gamma (14.4 keV per 57
Fe
), M (56,9354 u per 57
Fe
) è la massa del corpo emittente o assorbente, e c è la velocità della luce. Nel caso di un gas i corpi emettitori e assorbenti sono atomi, quindi la massa è relativamente piccola, con conseguente grande energia di rinculo, che impedisce la risonanza. (Si noti che la stessa equazione si applica per le perdite di energia di rinculo nei raggi X, ma l’energia del fotone è molto inferiore, risultando in una perdita di energia inferiore, che è il motivo per cui la risonanza in fase gassosa potrebbe essere osservata con i raggi X.)
In un solido, i nuclei sono legati al reticolo e non rincorrono come in un gas. Il reticolo nel suo insieme rincula, ma l’energia di rinculo è trascurabile perché M nell’equazione di cui sopra è la massa dell’intero reticolo. Tuttavia, l’energia in un decadimento può essere assorbita o fornita dalle vibrazioni del reticolo. L’energia di queste vibrazioni è quantizzata in unità note come fononi. L’effetto Mössbauer si verifica perché c’è una probabilità finita che si verifichi un decadimento senza fononi. Così, in una frazione degli eventi nucleari (la frazione senza rinculo, data dal fattore Lamb-Mössbauer), l’intero cristallo agisce come corpo di rinculo, e questi eventi sono essenzialmente senza rinculo. In questi casi, poiché l’energia di rinculo è trascurabile, i raggi gamma emessi hanno l’energia appropriata e può verificarsi la risonanza.
In generale (a seconda del tempo di dimezzamento del decadimento), i raggi gamma hanno larghezze di linea molto strette. Questo significa che sono molto sensibili a piccoli cambiamenti nelle energie delle transizioni nucleari. Infatti, i raggi gamma possono essere usati come una sonda per osservare gli effetti delle interazioni tra un nucleo e i suoi elettroni e quelli dei suoi vicini. Questa è la base della spettroscopia di Mössbauer, che combina l’effetto Mössbauer con l’effetto Doppler per monitorare tali interazioni.
Le transizioni ottiche zero-foniche, un processo strettamente analogo all’effetto Mössbauer, possono essere osservate nei cromofori legati a reticolo a basse temperature.