El efecto Mössbauer , o fluorescencia por resonancia nuclear sin retroceso , es un fenómeno físico descubierto por Rudolf Mössbauer en 1958. Implica la emisión y absorción resonante y sin retroceso de radiación gamma por núcleos atómicos unidos en un sólido. Su principal aplicación es en la espectroscopia de Mössbauer .
En el efecto Mössbauer, una estrecha resonancia para la emisión y absorción nuclear gamma resulta del impulso de retroceso que se entrega a una red cristalina circundante en lugar de solo al núcleo emisor o absorbente. Cuando esto ocurre, no se pierde energía gamma en la energía cinética de los núcleos en retroceso, ya sea en el extremo emisor o absorbente de una transición gamma: la emisión y la absorción ocurren con la misma energía, lo que resulta en una absorción fuerte y resonante.
La emisión y absorción de rayos X por los gases se había observado anteriormente, y se esperaba que se encontrara un fenómeno similar para los rayos gamma , que se crean por transiciones nucleares (a diferencia de los rayos X, que normalmente son producidos por transiciones electrónicas). transiciones ). Sin embargo, los intentos de observar la resonancia nuclear producida por los rayos gamma en los gases fracasaron debido a que se pierde energía en el retroceso, lo que impide la resonancia (el efecto Doppler también amplía el espectro de los rayos gamma). Mössbauer pudo observar resonancia en núcleos de iridio sólido , lo que planteó la cuestión de por qué la resonancia de rayos gamma era posible en sólidos, pero no en gases. Mössbauer propuso que, en el caso de átomos unidos en un sólido, bajo ciertas circunstancias una fracción de los eventos nucleares podría ocurrir esencialmente sin retroceso. Atribuyó la resonancia observada a esta fracción sin retroceso de los eventos nucleares.
El efecto Mössbauer fue uno de los últimos grandes descubrimientos en física que se informó originalmente en idioma alemán. Los primeros informes en inglés fueron un par de cartas que describían repeticiones independientes del experimento. [1] [2]
El descubrimiento fue recompensado con el Premio Nobel de Física en 1961 junto con la investigación de Robert Hofstadter sobre la dispersión de electrones en los núcleos atómicos.
En general, los rayos gamma se producen por transiciones nucleares de un estado inestable de alta energía a un estado estable de baja energía. La energía del rayo gamma emitido corresponde a la energía de la transición nuclear, menos una cantidad de energía que se pierde como retroceso del átomo emisor. Si la energía de retroceso perdida es pequeña en comparación con el ancho de línea de energía de la transición nuclear, entonces la energía de los rayos gamma todavía corresponde a la energía de la transición nuclear, y el rayo gamma puede ser absorbido por un segundo átomo del mismo tipo que el primero. . Esta emisión y posterior absorción se denomina fluorescencia resonante . También se pierde energía de retroceso adicional durante la absorción, por lo que para que se produzca resonancia, la energía de retroceso debe ser en realidad menos de la mitad del ancho de línea para la transición nuclear correspondiente.
La cantidad de energía en el cuerpo que retrocede ( E R ) se puede encontrar a partir de la conservación del momento:
donde P R es el momento de la materia que retrocede y P γ el momento del rayo gamma. Sustituyendo energía en la ecuación se obtiene:
donde E R (0,002 eV para57
fe
) es la energía perdida como retroceso, E γ es la energía del rayo gamma (14,4 keV para57
fe
), M (56.9354 u por57
fe
) es la masa del cuerpo emisor o absorbente, y c es la velocidad de la luz . [3] En el caso de un gas, los cuerpos emisores y absorbentes son átomos, por lo que la masa es relativamente pequeña, lo que da como resultado una gran energía de retroceso, que evita la resonancia. (Tenga en cuenta que la misma ecuación se aplica a las pérdidas de energía de retroceso en los rayos X, pero la energía del fotón es mucho menor, lo que resulta en una menor pérdida de energía, razón por la cual se puede observar resonancia en fase gaseosa con los rayos X).
En un sólido, los núcleos están unidos a la red y no retroceden de la misma manera que en un gas. La red en su conjunto retrocede, pero la energía de retroceso es insignificante porque M en la ecuación anterior es la masa de toda la red. Sin embargo, la energía en una desintegración puede ser absorbida o suministrada por vibraciones de la red. La energía de estas vibraciones se cuantifica en unidades conocidas como fonones . El efecto Mössbauer se produce porque existe una probabilidad finita de que se produzca una desintegración que no implique fonones. Así, en una fracción de los eventos nucleares (la fracción libre de retroceso , dada por el factor Lamb-Mössbauer ), todo el cristal actúa como el cuerpo que retrocede, y estos eventos son esencialmente libres de retroceso. En estos casos, como la energía de retroceso es insignificante, los rayos gamma emitidos tienen la energía adecuada y puede producirse resonancia.
En general (dependiendo de la vida media de la desintegración), los rayos gamma tienen anchos de línea muy estrechos. Esto significa que son muy sensibles a pequeños cambios en las energías de las transiciones nucleares. De hecho, los rayos gamma pueden utilizarse como sonda para observar los efectos de las interacciones entre un núcleo y sus electrones y los de sus vecinos. Ésta es la base de la espectroscopia de Mössbauer, que combina el efecto Mössbauer con el efecto Doppler para controlar dichas interacciones.
Las transiciones ópticas de fonón cero , un proceso muy análogo al efecto Mössbauer, se pueden observar en cromóforos unidos a redes a bajas temperaturas.
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