Effetto Mössbauer, chiamato anche assorbimento della risonanza dei raggi gamma senza rinculo, processo nucleare che consente l'assorbimento della risonanza dei raggi gamma. È possibile fissando i nuclei atomici nel reticolo dei solidi in modo che l'energia non venga persa nel rinculo durante l'emissione e l'assorbimento delle radiazioni. Il processo, scoperto dal fisico di origine tedesca Rudolf L. Mössbauer nel 1957, costituisce uno strumento utile per lo studio di diversi fenomeni scientifici.
Per comprendere la base dell'effetto Mössbauer, è necessario comprendere diversi principi fondamentali. Il primo di questi è il turno Doppler. Quando una locomotiva fischia, la frequenza o l'intonazione delle onde sonore aumenta mentre il fischio si avvicina a un ascoltatore e diminuisce quando il fischio si allontana. La formula Doppler esprime questo cambiamento, o spostamento in frequenza, delle onde in funzione lineare della velocità della locomotiva. Allo stesso modo, quando il nucleo di un atomo irradia energia elettromagnetica sotto forma di un pacchetto d'onda noto come fotone di raggi gamma, è anche soggetto allo spostamento Doppler. La variazione di frequenza, che viene percepita come una variazione di energia, dipende dalla velocità con cui il nucleo si sta muovendo rispetto all'osservatore.
Il secondo concetto, quello del rinculo nucleare, può essere illustrato dal comportamento di un fucile. Se viene trattenuto in modo lento durante il fuoco, il suo rinculo, o "calcio", sarà violento. Se viene tenuto saldamente contro la spalla del tiratore, il rinculo si ridurrà notevolmente. La differenza tra le due situazioni deriva dal fatto che lo slancio (il prodotto di massa e velocità) è conservato: lo slancio del sistema che spara un proiettile deve essere opposto ed uguale a quello del proiettile. Sostenendo fermamente il fucile, il tiratore include il suo corpo, con la sua massa molto maggiore, come parte del sistema di fuoco e la velocità all'indietro del sistema viene ridotta di conseguenza. Un nucleo atomico è soggetto alla stessa legge. Quando la radiazione viene emessa sotto forma di un raggio gamma, l'atomo con il suo nucleo subisce un rinculo a causa della quantità di moto del raggio gamma. Un rinculo simile si verifica durante l'assorbimento delle radiazioni da parte di un nucleo.
Infine, è necessario comprendere i principi che regolano l'assorbimento dei raggi gamma da parte dei nuclei. I nuclei possono esistere solo in determinati stati energetici definiti. Affinché un raggio gamma venga assorbito, la sua energia deve essere esattamente uguale alla differenza tra due di questi stati. Tale assorbimento è chiamato assorbimento di risonanza. Un raggio gamma che viene espulso da un nucleo in un atomo libero non può essere assorbito in modo risonante da un nucleo simile in un altro atomo perché la sua energia è inferiore all'energia di risonanza di una quantità pari all'energia cinetica data al nucleo della sorgente che si riavvolge.
Principi di applicazione
Incorporando lo stesso tipo di nuclei in due solidi, quelli in un solido essendo in uno stato radiante o eccitato e quelli nell'altro in uno stato assorbente o fondamentale, è possibile usare la radiazione gamma dal primo solido per l'assorbimento risonante in il secondo. Il metodo è così sensibile che se un solido si muove rispetto all'altro con una velocità di un decimo di centimetro al secondo, la risonanza viene distrutta dallo spostamento Doppler nell'energia dei raggi gamma. In questo fatto risiede l'utilità dell'effetto Mössbauer come strumento di fisica sperimentale. Se uno stato di energia del nucleo radiante o assorbente è disturbato da qualsiasi effetto esterno, anche l'assorbimento di risonanza sarà annullato. Quindi, variando la velocità relativa dei solidi radianti e assorbenti fino a ristabilire l'assorbimento risonante, si può determinare l'entità precisa dell'effetto di disturbo.
apparato
L'effetto Mössbauer è di solito osservato misurando la trasmissione dei raggi gamma da una sorgente radioattiva attraverso un assorbitore contenente lo stesso isotopo allo stato fondamentale. Il dispositivo utilizzato per questo esperimento è chiamato spettrometro a velocità Doppler a effetto Mössbauer perché utilizza lo spostamento Doppler per scansionare una regione di energia in prossimità dell'energia del raggio gamma stesso. Uno spettrometro che utilizza questo concetto è mostrato schematicamente nella Figura 1. Una sorgente radioattiva è montata su un trasduttore elettromeccanico che si muove con una velocità ben definita. In genere, sono necessarie velocità di pochi centimetri al secondo. L'energia dei raggi gamma emessi viene spostata, a causa dell'effetto Doppler, di una quantità proporzionale alla velocità. In questo esempio, i nuclei della sorgente radioattiva e l'assorbitore risonante sono identici, non essendo stati perturbati da un campo esterno. I raggi gamma passano attraverso un assorbitore contenente l'isotopo risonante e vengono rilevati da un contatore proporzionale. I raggi gamma rilevati al secondo sono tracciati in funzione della velocità Doppler, risultando in uno spettro di assorbimento dell'effetto Mössbauer come quello mostrato nella Figura 2. Il calo della velocità di conteggio al centro è dovuto all'assorbimento risonante, ovvero all'effetto Mössbauer. Ad alta velocità positiva o negativa, l'assorbimento risonante è stato distrutto dallo spostamento Doppler.
