Mössbauer-effekt

Mössbauer-effekt er rekylfri emission og absorption af gammastråler fra atomkerner i faste stoffer. Den tyske fysiker Rudolf Ludwig Mössbauer opdagede i 1957, at atomkerner i en krystal er i stand til at sprede gammastråling på en sådan måde, at hele krystallen og ikke den enkelte kerne optager rekylenergien fra "sammenstødet" med hvert gammakvant.

Gammakvanter, der udsendes fra atomkerner, vil have energier, som er karakteristiske for den pågældende kerne, og som svarer til forskellen mellem to af kernens energitilstande. Tilsvarende gælder det, at for at blive absorberet i en kerne skal et gammakvants energi have netop samme størrelse (resonansabsorption). Normalt vil gammakvantet imidlertid overføre en del af sin impuls og energi til kernen, hvad enten det udsendes fra eller absorberes i kernen (rekyleffekt). Derved vil et udsendt gammakvant ikke have en veldefineret energi og vil ikke nødvendigvis kunne absorberes igen i en tilsvarende kerne.

Mössbauer opdagede imidlertid, at rekyleffekten kan undgås, hvis de henfaldende og absorberende kerner befinder sig i et fast stof. I en vis del af emissionerne og absorptionerne optages rekylimpulsen og rekylenergien af det faste stof som helhed, og derved vil energien af gammakvantet svare nøjagtig til energien af den overgang i kernen, som er årsag til dets udsendelse. Effekten forekommer i ca. 100 isotoper, men for mange af dem kræves meget lave temperaturer, for at den kan iagttages; for jernisotopen ⁵⁷Fe kan effekten imidlertid observeres ved stuetemperatur.

For ⁵⁷Fe er gammakvantets energi (14,4∙10³ eV) meget veldefineret, dvs. resonanslinjen er ekstremt smal, og den rekylfri gammastråling kan derfor bruges til meget præcise spektroskopiske målinger (Mössbauer-spektroskopi) med en opløsningsevne bedre end 10^-8 eV. Det er tilstrækkeligt til, at man kan studere hyperfinstrukturer og forskydninger af kernens tilstande, som skyldes kernens vekselvirkning med de elektromagnetiske felter fra de omgivende elektroner. En af de første anvendelser af metoden var at påvise, at gammakvanters energi ændrer sig i et tyngdefelt i overensstemmelse med relativitetsteorien.

Ethvert fast stof, som indeholder passende kerner for Mössbauer-spektroskopi, har sit eget karakteristiske Mössbauer-spektrum, hvorfra man kan uddrage oplysninger om magnetiske, kemiske og krystallografiske egenskaber af det faste stof. Mössbauer-spektroskopi kan derfor anvendes til ikke-destruktiv analyse af prøver, som indeholder flere faser, og til studier af amorfe og mikrokrystallinske materialer, som kan være yderst vanskelige eller umulige at karakterisere med andre metoder. Metoden finder anvendelse inden for så forskellige områder som faststoffysik, kemi, materialelære, biokemi, arkæologi og geologi. 4.1. og 25.1.2004 landedes for første gang Mössbauer-spektrometre på en anden planet. Et tyskbygget Mössbauer-spektrometer var en vigtig del af den videnskabelige nyttelast på de to Mars Exploration Rovers, Spirit og Opportunity. Netop dette instrument spillede en afgørende rolle ved identifikation af mineraler på Mars-overfladen, som enten indeholder vand eller er dannet i flydende vand.