57Feのメスバウアー吸収スペクトル
メスバウアー効果とは、原子核が核反動にエネルギーを奪われずにガンマ線を放出または吸収する過程のことを言います。 1958年にドイツの物理学者ルドルフ・L・メスバウアーによって発見され、物理学や化学の基礎研究に非常に有効であることが証明されました。 例えば、電場、磁場、重力場によって引き起こされる原子核、原子、結晶の小さなエネルギー変化を精密に測定するのに使われている。 原子核が高いエネルギー状態から低いエネルギー状態へと変化し、それに伴ってガンマ線が放出される場合、一般に放出に伴って原子核が反跳し、放出されたガンマ線からエネルギーが奪われる。 このため、ガンマ線は検査対象の原子核を励起するのに十分なエネルギーを持っていない。 しかし、メスバウアーは、反動が放出原子核が結合した結晶全体に吸収される遷移があり得ることを発見した。 このような状況では、反跳に入るエネルギーは遷移のエネルギーのごく一部に過ぎない。 したがって、放出されるガンマ線は、核変換によって解放されたエネルギーのほぼすべてを担っていることになります。 このようにガンマ線は、反動が無視できるほど小さい条件下で、放出源と同じ物質でより低いエネルギー状態の標的原子核に、逆の遷移を引き起こすことができるのです。 一般に、ガンマ線は不安定な高エネルギー状態から安定な低エネルギー状態への原子核の遷移によって発生する。 放出されるガンマ線のエネルギーは、核変換のエネルギーから放出原子の反跳として失われるエネルギー量を差し引いたものに相当します。 失われた反跳エネルギーが核変換のエネルギー線幅に比べて小さい場合、ガンマ線のエネルギーは依然として核変換のエネルギーに対応し、ガンマ線は最初の原子と同じ種類の第2の原子によって吸収される可能性があります。 この発光とそれに続く吸収を共鳴蛍光と呼びます。 吸収の際に追加の反跳エネルギーも失われるので、共鳴が起こるためには、反跳エネルギーは実際には対応する核遷移の線幅の半分以下でなければなりません。
反跳体（ER）のエネルギー量は運動量保存から求めることができます：
| P R | = | P γ | {displaystyle |P_{\mathrm {R} }|=|P_{\gamma {} }} {Displaystyle | P γ {} } =|P_{ γ } } {Displaystyle | P γ } {Displaystyle | P γ } } =|P_{ γ }|,}
ここでPRは反跳物質の運動量、Pγはガンマ線の運動量である。 エネルギーを式に代入すると次のようになります：
E R = E γ 2 2 M c 2 { {displaystyle E_{mathrm {R} }={frac {E_{mathrm {gamma }}}}
E_{mathrm {gamma }}は、ガンマ線の運動量です。 }^{2}}{2Mc^{2}}}} となる。
ここでER（57
Fe
では0.002 eV）は反跳として失われるエネルギー、Eγはガンマ線エネルギー（14.4 keV for 57
Fe
)、M (56.9354 u for 57
Fe
)は放出または吸収体の質量、cは光速です。 気体の場合、放出体も吸収体も原子なので質量が比較的小さく、反跳エネルギーが大きくなり、共振が起きない。 (なお、X線の反跳エネルギー損失も同じ式が適用されますが、光子エネルギーがはるかに小さいため、エネルギー損失が小さくなり、X線で気相共鳴が観測されることがあります。)
固体では、核は格子に結合しているので、気体の場合と同じように反跳しないのです。 格子全体が反跳しますが、上式のMは格子全体の質量なので反跳エネルギーは無視できます。 しかし、崩壊のエネルギーは、格子振動によって取り込まれたり、供給されたりすることがあります。 この振動のエネルギーはフォノンという単位で定量化される。 メスバウアー効果が起こるのは、フォノンを含まない崩壊が起こる確率が有限であるためである。 したがって、核事象の一部（ラム・メスバウアー因子で与えられる無反動割合）では、結晶全体が反跳体として働き、これらの事象は本質的に無反動である。 これらの場合、反跳エネルギーは無視できるので、放出されたガンマ線は適切なエネルギーを持ち、共鳴が起こりうる。
一般に（崩壊の半減期に依存するが）、ガンマ線は非常に狭い線幅を持つ。 つまり、核変換のエネルギーの小さな変化に非常に敏感なのです。 実際、ガンマ線は原子核とその周りの電子との相互作用の影響を観察するプローブとして使うことができます。 これはメスバウアー効果とドップラー効果を組み合わせてそのような相互作用をモニターするメスバウアー分光の基礎となっています。
ゼロフォンの光学遷移はメスバウアー効果によく似たプロセスで、低温で格子結合した発色団で観察することが可能です。