Efecto Mössbauer

El efecto Mössbauer, o fluorescencia de resonancia nuclear sin retroceso, es un fenómeno físico descubierto por Rudolf Mössbauer en 1958. Consiste en 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 Mössbauer.

En el efecto Mössbauer, una resonancia estrecha para la emisión y absorción gamma nuclear 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 por la energía cinética de los núcleos que retroceden en el extremo emisor o absorbente de una transición gamma: la emisión y la absorción ocurren con la misma energía, lo que da como resultado una fuerte absorción resonante.

Historia

La emisión y absorción de rayos X por parte de los gases se había observado previamente, y se esperaba que se encontrara un fenómeno similar para los rayos gamma, que son creados por transiciones nucleares (a diferencia de los rayos X, que son típicamente producidos por transiciones electrónicas). Sin embargo, los intentos de observar la resonancia nuclear producida por los rayos gamma en los gases fallaron debido a la pérdida de energía por el retroceso, lo que impidió la resonancia (el efecto Doppler también amplía el espectro de 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 los sólidos, pero no en los gases. Mössbauer propuso que, para el caso de átomos unidos a un sólido, bajo ciertas circunstancias, una fracción de los eventos nucleares podría ocurrir esencialmente sin retroceso. Atribuyó la resonancia observada a esta fracción libre de retroceso de los eventos nucleares.

El efecto Mössbauer fue uno de los últimos descubrimientos importantes de la física que se informó originalmente en alemán. El primer informe en inglés fue una carta que describía una repetición del experimento.

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.

Descripción

espectro de absorción Mössbauer ⁵⁷Fe

En general, los rayos gamma son producidos 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 al 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 aún 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. La energía de retroceso adicional también se pierde durante la absorción, por lo que para que se produzca la resonancia, la energía de retroceso debe ser inferior a la mitad del ancho de línea para la transición nuclear correspondiente.

La cantidad de energía en el cuerpo que retrocede (E_R) puede ser encontrado a partir de la conservación del impulso:

SilencioPRSilencio=SilencioPγ γ Silencio{displaystyle [R] } "Permanecer"

donde P_R es el impulso de la materia que retrocede, y P_γ el impulso del rayo gamma. Sustituyendo energía en la ecuación se obtiene:

ER=Eγ γ 22Mc2{displaystyle E_{mathrm {R}={frac {E_{mathrm} {gamma}}} {2Mc^{2}}} {c}}} {c}}} {c}}}}} {c}}}} {c}}}}

donde E_R (0.002 eV para ⁵⁷
Fe
) es la energía perdida como retroceso, E_γ es la energía del rayo gamma (1 4,4 keV para ⁵⁷
Fe
), M (56,9354 u para ⁵⁷
Fe
) es la masa del cuerpo emisor o absorbente, y c es la velocidad de la luz. 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, lo 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 da como resultado una menor pérdida de energía, razón por la cual se puede observar la 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 la M en la ecuación anterior es la masa de toda la red. Sin embargo, la energía en un decaimiento puede ser absorbida o suministrada por vibraciones de red. La energía de estas vibraciones se cuantifica en unidades conocidas como fonones. El efecto Mössbauer se produce porque hay una probabilidad finita de que se produzca un decaimiento que no involucre fonones. Por lo tanto, en una fracción de los eventos nucleares (la fracción sin retroceso, dada por el factor de Lamb-Mössbauer), todo el cristal actúa como el cuerpo en retroceso, y estos eventos esencialmente no tienen retroceso. En estos casos, dado que la energía de retroceso es despreciable, los rayos gamma emitidos tienen la energía adecuada y puede producirse resonancia.

En general (dependiendo de la vida media de la descomposición), 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 se pueden utilizar como sonda para observar los efectos de las interacciones entre un núcleo y sus electrones y los de sus vecinos. Esta es la base de la espectroscopia Mössbauer, que combina el efecto Mössbauer con el efecto Doppler para monitorear tales interacciones.

Las transiciones ópticas de cero fonones, un proceso muy similar al efecto Mössbauer, se pueden observar en los cromóforos unidos a la red a bajas temperaturas.