Efecto Mössbauer

El efecto Mössbauer , o fluorescencia de 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 los núcleos atómicos unidos en un sólido. Su principal aplicación es en la espectroscopia Mössbauer .

En el efecto Mössbauer, se produce una resonancia estrecha para la emisión y absorción de rayos gamma nucleares debido a que el momento de retroceso se transmite a una red cristalina circundante en lugar de al núcleo emisor o absorbente únicamente. 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 se producen a la misma energía, lo que da como resultado una absorción resonante intensa.

La emisión y absorción de rayos X por gases ya se había observado anteriormente. 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 se producen por transiciones electrónicas ). Sin embargo, los intentos de observar la resonancia nuclear producida por los rayos gamma en los gases fracasaron debido a que la energía se perdía por el retroceso, lo que impedía la resonancia (el efecto Doppler también amplía el espectro de rayos gamma). Mössbauer observó resonancia en núcleos de iridio sólido , lo que planteó la pregunta de por qué la resonancia de rayos gamma era posible en sólidos pero no en gases. Mössbauer propuso que, para el caso de átomos unidos en un sólido, una fracción de los eventos nucleares podría ocurrir esencialmente sin retroceso bajo ciertas circunstancias. Atribuyó la resonancia observada a esta fracción de eventos nucleares sin retroceso.

El efecto Mössbauer fue uno de los últimos grandes descubrimientos de la física que se publicó originalmente en 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 desde 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 hacia el 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 del rayo 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 menor que 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:

${\displaystyle |P_{\mathrm {R} }|=|P_{\mathrm {\gamma } }|\,}$

donde P _R es el momento de la materia que retrocede y P _γ el momento del rayo gamma. Sustituyendo la energía en la ecuación se obtiene:

${\displaystyle E_{\mathrm {R} }={\frac {E_{\mathrm {\gamma } }^{2}}{2Mc^{2}}}}$

donde E _R (0,002  eV para⁵⁷
Fé
) es la energía perdida como retroceso, E _γ es la energía del rayo gamma (14,4  keV para⁵⁷
Fé
), M (56.9354  u por⁵⁷
Fé
) 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 emisor y absorbente son átomos, por lo que la masa es relativamente pequeña, lo que resulta en una gran energía de retroceso, lo que evita la resonancia. (La misma ecuación se aplica para las pérdidas de energía de retroceso en rayos X, pero la energía del fotón es mucho menor, lo que resulta en una menor pérdida de energía, por lo que se podría observar resonancia en fase gaseosa con rayos X).

En un sólido, los núcleos están ligados a la red y no retroceden como en un gas. La red en su conjunto retrocede, pero la energía de retroceso es despreciable porque la 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 una desintegración que no involucre fonones. Por lo tanto, en una fracción de los eventos nucleares (la fracción sin 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, 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 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 usarse 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 dichas interacciones.

Las transiciones ópticas de fonón cero , un proceso muy análogo al efecto Mössbauer, se pueden observar en cromóforos unidos en red a bajas temperaturas.

• Desplazamiento isomérico
• Experimentos con rotores Mössbauer
• Espectroscopia Mössbauer
• Espectroscopia nuclear
• Correlación angular perturbada
• Experimento de Pound-Rebka

• Mössbauer, RL (1958). "Kernresonanzfluoreszenz von Gammastrahlung en Ir ¹⁹¹ ". Zeitschrift für Physik A (en alemán). 151 (2): 124– 143. Bibcode : 1958ZPhy..151..124M. doi :10.1007/BF01344210. S2CID  121129342.
• Frauenfelder, H. (1962). El efecto Mössbauer. WA Benjamín . LCCN  61018181.
• Eyges, L. (1965). "Física del efecto Mössbauer". American Journal of Physics . 33 (10): 790– 802. Código Bibliográfico :1965AmJPh..33..790E. doi :10.1119/1.1970986.
• Hesse, J. (1973). "Disposición simple para mediciones educativas del efecto Mössbauer". American Journal of Physics . 41 (1): 127– 129. Bibcode :1973AmJPh..41..127H. doi :10.1119/1.1987142.
• Ninio, F. (1973). "El oscilador armónico forzado y la transición de fonón cero del efecto Mössbauer". American Journal of Physics . 41 (5): 648– 649. Bibcode :1973AmJPh..41..648N. doi : 10.1119/1.1987323 .
• Vandergrift, G.; Fultz, B. (1998). "El efecto Mössbauer explicado". American Journal of Physics . 66 (7): 593– 596. Bibcode :1998AmJPh..66..593V. doi :10.1119/1.18911.
• Adetunji, J.; Dronsfield, AT (julio de 2002). "Los inicios de la espectroscopia Mössbauer". Educación en química .{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: fecha y año ( enlace )

• Medios relacionados con el efecto Mössbauer en Wikimedia Commons