Het Mössbauer-effect is een proces waarbij een atoomkern gammastralen uitzendt of absorbeert zonder energieverlies aan een nucleaire terugslag. Het werd ontdekt door de Duitse natuurkundige Rudolf L. Mössbauer in 1958 en is opmerkelijk nuttig gebleken voor fundamenteel onderzoek in de natuurkunde en de scheikunde. Zij is bijvoorbeeld gebruikt voor het nauwkeurig meten van kleine energieveranderingen in kernen, atomen en kristallen die worden veroorzaakt door elektrische, magnetische of gravitatievelden. Bij een overgang van een kern van een hogere naar een lagere energietoestand met bijbehorende emissie van gammastralen, veroorzaakt de emissie in het algemeen een terugslag van de kern, die energie onttrekt aan de uitgezonden gammastralen. De gammastralen hebben dus niet voldoende energie om een te onderzoeken doelkern te exciteren. Mössbauer ontdekte echter dat het mogelijk is overgangen te hebben waarbij de terugslag wordt geabsorbeerd door een heel kristal waarin de uitzendende kern is gebonden. Onder deze omstandigheden is de energie die in de terugslag gaat een te verwaarlozen deel van de energie van de overgang. De uitgezonden gammastralen dragen dus vrijwel alle energie die bij de kernovergang vrijkomt. De gammastralen zijn dus in staat om, onder vergelijkbare omstandigheden van verwaarloosbare terugslag, een omgekeerde overgang te induceren in een doelkern van hetzelfde materiaal als de emitter, maar in een lagere energietoestand. In het algemeen worden gammastralen geproduceerd door nucleaire overgangen van een onstabiele hoogenergetische toestand naar een stabiele laag-energetische toestand. De energie van de uitgezonden gammastraal komt overeen met de energie van de nucleaire overgang, verminderd met een hoeveelheid energie die als terugslag verloren gaat aan het uitzendende atoom. Als de verloren terugstootenergie klein is vergeleken met de energielijnbreedte van de kernovergang, dan komt de energie van de gammastraal nog steeds overeen met de energie van de kernovergang, en kan de gammastraal worden geabsorbeerd door een tweede atoom van hetzelfde type als het eerste. Deze emissie en daaropvolgende absorptie wordt resonante fluorescentie genoemd. Tijdens de absorptie gaat ook extra terugspoelenergie verloren, dus om resonantie te laten optreden moet de terugspoelenergie in feite minder dan de helft van de lijnbreedte voor de overeenkomstige kernovergang bedragen.
De hoeveelheid energie in het terugspoelende lichaam (ER) kan worden gevonden uit momentumbehoud:
| P R | = | P γ | {{\displaystyle |P_{\mathrm {R} }|=|P_{\mathrm {gamma} }
waarbij PR het momentum is van de terugspringende materie, en Pγ het momentum van de gammastraal. Invullen van de energie in de vergelijking geeft:
E R = E γ 2 2 M c 2 {{\displaystyle E_{\mathrm {R} }={\frac {E_{\mathrm {\gamma }} }^{2}}{2Mc^{2}}}}
waar ER (0,002 eV voor 57
Fe
) de energie is die verloren gaat als terugslag, Eγ de energie van de gammastraal (14.4 keV voor 57
Fe
), M (56,9354 u voor 57
Fe
) is de massa van het zendende of absorberende lichaam, en c is de snelheid van het licht. In het geval van een gas zijn de emitterende en absorberende lichamen atomen, zodat de massa betrekkelijk klein is, hetgeen resulteert in een grote terugslag-energie, die resonantie verhindert. (Merk op dat dezelfde vergelijking geldt voor terugslag-energieverliezen bij röntgenstraling, maar de fotonenergie is veel minder, waardoor een lager energieverlies optreedt, hetgeen de reden is waarom resonantie in de gasfase met röntgenstraling kan worden waargenomen.)
In een vaste stof zijn de kernen aan het rooster gebonden en terugslag vindt niet op dezelfde manier plaats als in een gas. Het rooster als geheel deinst terug, maar de terugslag-energie is te verwaarlozen, omdat de M in bovenstaande vergelijking de massa van het gehele rooster is. De energie in een verval kan echter worden opgenomen of geleverd door trillingen van het traliewerk. De energie van deze trillingen wordt gekwantificeerd in eenheden die fononen worden genoemd. Het Mössbauer-effect treedt op omdat er een eindige waarschijnlijkheid is dat een verval optreedt waarbij geen fononen betrokken zijn. In een fractie van de nucleaire gebeurtenissen (de terugspoelvrije fractie, gegeven door de Lamb-Mössbauer-factor) fungeert het gehele kristal als het terugspoelend lichaam, en deze gebeurtenissen zijn in wezen terugspoelvrij. Aangezien de terugspoelenergie verwaarloosbaar is, hebben de uitgezonden gammastralen in deze gevallen de juiste energie en kan resonantie optreden.
In het algemeen (afhankelijk van de halveringstijd van het verval) hebben gammastralen zeer smalle lijnbreedten. Dit betekent dat zij zeer gevoelig zijn voor kleine veranderingen in de energieën van nucleaire overgangen. In feite kan gammastraling worden gebruikt als een sonde om de effecten van interacties tussen een kern en zijn elektronen en die van zijn buren te observeren. Dit is de basis voor de Mössbauer spectroscopie, die het Mössbauer effect combineert met het Doppler effect om dergelijke interacties te volgen.
Zero-fon optische overgangen, een proces dat nauw analoog is aan het Mössbauer effect, kunnen worden waargenomen in rooster-gebonden chromoforen bij lage temperaturen.