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The Mössbauer effect, or recoilless nuclear resonance fluorescence, is a physical phenomenon, named after Rudolf Mössbauer who investigated it in 1958. It involves the resonant and recoil-free emission and absorption of gamma radiation by atomic nuclei bound in a solid. Its main application is in Mössbauer spectroscopy.
In the Mössbauer effect, a narrow resonance for nuclear gamma emission and absorption results from the momentum of recoil being delivered to a surrounding crystal lattice rather than to the emitting or absorbing nucleus alone. When this occurs, no gamma energy is lost to the kinetic energy of recoiling nuclei at either the emitting or absorbing end of a gamma transition: emission and absorption occur at the same energy, resulting in strong, resonant absorption.
The interaction of X-rays with gases, particularly their attenuation and scattering, had been studied since the early years of X-ray research, and element-specific X-ray absorption phenomena had been established in the early 20th century[1]. It was expected that a similar phenomenon would be found for gamma rays, discovered by Paul Ulrich Villard in 1900,[2] which are created by nuclear transitions (as opposed to X-rays, which are typically produced by electronic transitions).
In 1903, Robert W. Wood investigated the phenomenon of fluorescence of sodium-vapor when exposed to sunlight, studied before by Gustav Heinrich Wiedemann. Wood noticed that the absorption spectrum was similar to the fluorescence spectrum. Wood wondered if the absorption of sodium vapor was modified by the fluorescence. This phenomena was later termed the resonance fluorescence.[2][3]
In 1929, chemist Werner Kuhn attempted to replicate the phenomena of resonance fluorescence with gamma ray sources and absorber. The experiment was a failure but he still published his results.[4][5][2] Kuhn still theorized three properties:[2]
ガンマ線蛍光は、1950 年にフィリップ・バートン・ムーンによって、相対論的ドップラー効果を利用して共鳴を増強することで検出されました。[ 2 ]ムーンは核共鳴蛍光を検出しました。[ 2 ]ムーンとほぼ同時期に、カール・G・マルムフォースは、1952 年にクーンの最初の予測を利用して、温度を上昇させることでエミッターとレシーバーの重なりを増やしました。ムーンとマルムフォースの結果はどちらも実験誤差が大きく、精密な測定技術を考案するために使用することはできませんでした。[ 2 ]
1953年、ルドルフ・メスバウアーはミュンヘン工科大学でハインツ・マイヤー＝ライプニッツの指導の下、研究室で研究を行っていた。彼はマルムフォースの成果を改良した。修士号を取得した後、メスバウアーはマルムフォースのように炉を使うよりも極低温で作業する方が容易だと考えた。彼は重なりが少なくなり、効果が小さくなると予想していたが、低温では共鳴蛍光が増加した。彼はγ線光子の無反跳放出と吸収を観察していると考えた。彼は後にそれを次のように説明した。[ 2 ]
この状況は、人がボートから石を投げるようなものです。エネルギーの大部分は石に伝わりますが、わずかな量が反動を受けるボートの運動エネルギーになります。夏の間は、ボートはこの反動エネルギーをそのまま吸収します。しかし、ボートが湖に凍り付いた冬に人が石を投げると、エネルギーのほぼすべてが投げられた石に伝わり、ボートに伝わるエネルギーはごくわずかになります。そのため、湖全体が反動エネルギーを吸収し、この過程は反動のないプロセスとして進行します。
— R. Mössbauer、Hyperfine Interactions、2000、126、1。
彼は1958年に博士論文でその研究成果を発表した。[ 2 ]彼はすぐに、ドップラー効果と回転ターンテーブルを使用することでこの結果を改善できることに気づいた。彼はサンプルの全スペクトルを作成し、メスバウアー分光法を発明し、同年中に発表した。[ 2 ]
メスバウアーは「ガンマ線の共鳴吸収に関する研究と、それに関連して彼の名にちなんだ効果を発見した」功績により、 1961年のノーベル物理学賞の半分を受賞し、残りの半分はロバート・ホフスタッターの原子核における電子散乱の研究に贈られた。 [ 6 ]
一般的に、ガンマ線は不安定な高エネルギー状態から安定な低エネルギー状態への核遷移によって生成されます。放出されるガンマ線のエネルギーは、核遷移のエネルギーから、放出原子への反跳として失われるエネルギーを差し引いた値に相当します。失われた反跳エネルギーが核遷移のエネルギー線幅に比べて小さい場合、ガンマ線のエネルギーは依然として核遷移のエネルギーに相当し、ガンマ線は最初の原子と同じ種類の2番目の原子に吸収される可能性があります。この放出とそれに続く吸収は共鳴蛍光と呼ばれます。吸収の際にも追加の反跳エネルギーが失われるため、共鳴が起こるためには、反跳エネルギーが対応する核遷移の線幅の半分未満でなければなりません。
反動する物体のエネルギー量（ER ）は、運動量保存則から求めることができる。
ここで、PRは反跳する物質の運動量、Pγはガンマ線の運動量である。エネルギーを式に代入すると次のようになる。
ここでE R ( 57の場合0.002 eVFe ) は反跳として失われるエネルギー、E γはガンマ線のエネルギー ( 57の場合14.4 keVFe）、M（ 57の場合、56.9354 DaFe ) は放出体または吸収体の質量、cは光速です。[ 7 ]気体の場合、放出体と吸収体は原子であるため、質量は比較的小さく、結果として大きな反跳エネルギーが生じ、共鳴が妨げられます。（同じ式は X 線における反跳エネルギー損失にも適用されますが、光子エネルギーははるかに小さいため、エネルギー損失は小さくなり、これが X 線で気相共鳴が観測される理由です。）
固体では、原子核は格子に束縛されており、気体のように反跳しません。格子全体としては反跳しますが、上記の式におけるMは格子全体の質量であるため、反跳エネルギーは無視できるほど小さいです。しかし、崩壊時のエネルギーは格子振動によって吸収または供給されることがあります。これらの振動のエネルギーは、フォノンと呼ばれる準粒子に量子化されています。メスバウアー効果は、フォノンを伴わない崩壊の確率が有限であるために生じます。したがって、核反応の一部（ラム・メスバウアー因子で与えられる反跳のない割合）では、結晶全体が反跳体として働き、これらの反応は実質的に反跳がありません。このような場合、反跳エネルギーは無視できるほど小さいため、放出されるガンマ線は適切なエネルギーを持ち、共鳴が起こり得ます。
一般的に（崩壊の半減期にもよるが）、ガンマ線は線幅が非常に狭い。これは、ガンマ線が原子核遷移のエネルギーのわずかな変化に非常に敏感であることを意味する。実際、ガンマ線は、原子核とその電子、および近傍の電子との相互作用の影響を観測するためのプローブとして利用できる。これがメスバウアー分光法の基礎であり、メスバウアー分光法はメスバウアー効果とドップラー効果を組み合わせて、このような相互作用を観測する。
ゼロフォノン光遷移は、メスバウアー効果と非常によく似た過程であり、低温の格子結合型発色団で観測されることがある。
ウィキメディア・コモンズにあるメスバウアー効果関連のメディア
