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メスバウアー効果、または無反跳核共鳴蛍光は、 1958年にこの現象を研究したルドルフ・メスバウアーにちなんで名付けられた物理現象です。これは、固体中に結合した原子核によるガンマ線の共鳴的かつ無反跳的な放出と吸収を伴います。その主な応用分野はメスバウアー分光法です。
メスバウアー効果では、核ガンマ線の放出と吸収に狭い共鳴が生じるのは、反跳運動量が放出核または吸収核単独ではなく、周囲の結晶格子に伝達されるためである。この場合、ガンマ遷移の放出側または吸収側のいずれにおいても、反跳核の運動エネルギーにガンマエネルギーが失われることはない。放出と吸収は同じエネルギーで起こり、強い共鳴吸収が生じる。
X線とガスの相互作用、特にその減衰と散乱は、X線研究の初期の頃から研究されており、元素固有のX線吸収現象は20世紀初頭に確立されていた[ 1 ] 。 1900年にポール・ウルリッヒ・ヴィラールによって発見されたガンマ線[ 2 ]についても同様の現象が見られると予想されていた。ガンマ線は（通常電子遷移によって生成されるX線とは異なり）原子核遷移によって生成される。
1903年、ロバート・W・ウッドは、グスタフ・ハインリヒ・ヴィーデマンが以前に研究していた、日光にさらされたナトリウム蒸気の蛍光現象を調査した。ウッドは、吸収スペクトルが蛍光スペクトルと似ていることに気づいた。ウッドは、ナトリウム蒸気の吸収が蛍光によって変化しているのではないかと考えた。この現象は後に共鳴蛍光と呼ばれるようになった。[ 2 ] [ 3 ]
1929年、化学者のヴェルナー・クーンは、ガンマ線源と吸収体を用いて共鳴蛍光現象を再現しようと試みた。実験は失敗に終わったが、彼はそれでも結果を発表した。[ 4 ] [ 5 ] [ 2 ]クーンは、3つの特性を理論化した。[ 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
