MÖSSBAUER EFFET

Le phénomène d'émission et d'absorption de photons gamma par des noyaux atomiques sans perte d'énergie due au recul de ces noyaux ni perte de résolution due à leur agitation thermique fut découvert et expliqué par le physicien allemand Rudolf L. Mössbauer en 1957-1958, ce qui lui valut le prix Nobel de physique en 1961. Ce phénomène de fluorescence résonnante sans recul des noyaux, universellement connu sous le nom d'« effet Mössbauer », concerne des rayonnements gamma de faible énergie émis et absorbés par des noyaux appartenant à des corps solides. Du fait de leur caractère monochromatique et de leur très grande finesse spectrale, ces rayonnements ont donné naissance à une spectrométrie de grande résolution, utilisée principalement en physique et chimie des solides, mais aussi dans de nombreuses disciplines telles que métallurgie, minéralogie et géophysique, biophysique, archéologie, etc.

L'origine physique de l'effet Mössbauer

Lorsqu'un noyau libre émet par désexcitation un photon gamma, il acquiert une énergie cinétique de recul E_R = E₀² / 2 mc², E₀ étant l'énergie de la transition nucléaire considérée, m la masse du noyau et c la vitesse de la lumière. D'après le principe de conservation de l'énergie, l'énergie E_γ du photon gamma émis est égale à la différence E₀ − E_R. Si le noyau appartient à un cristal, l'énergie de recul sert à réchauffer celui-ci, c'est-à-dire à augmenter l'énergie des vibrations du réseau cristallin. Toutefois, ce transfert d'énergie au cristal est nécessairement quantifié et ne peut s'effectuer que par création d'un nombre entier de quanta d'énergie de vibrations cristallines, ou phonons. En fait, lors de la désexcitation d'un grand nombre de noyaux identiques, les processus d'émission gamma accompagnés de création de zéro, d'un ou de plusieurs phonons coexistent, avec des probabilités différentes, et ce n'est qu'en moyenne que l'énergie de recul fournie au réseau cristallin est égale à l'énergie de recul E_R du noyau libre. La « raie Mössbauer » correspond, dans le spectre d'émission gamma de cet ensemble de noyaux, aux processus à zéro phonon, c'est-à-dire à ceux qui ne mettent en jeu aucun échange d'énergie avec le cristal. C'est pourquoi le rayonnement gamma Mössbauer possède exactement l'énergie E₀ de la transition nucléaire. La largeur de la raie Mössbauer est donc égale à l'incertitude naturelle sur la valeur de E₀, qui est elle-même celle du niveau excité du noyau (généralement inférieure à 10⁻⁷ eV). Au contraire, les processus d'émission avec transfert d'énergie au cristal donnent dans le spectre d'émission gamma une raie d'énergie plus faible que E₀ et environ un million de fois plus étalée que la raie Mössbauer, puisque sa largeur est comparable à l'énergie des phonons (environ 10⁻¹ eV). Pour des raisons similaires, le spectre d'absorption gamma par des noyaux du même isotope, également représenté sur la figure, comporte lui aussi une raie Mössbauer très fine d'énergie E₀ et une raie diffuse décalée par rapport à E₀, mais en sens opposé à celui observé à l'émission. On voit qu'il est donc possible, grâce aux raies Mössbauer, qui ont la même énergie E₀ à l'émission et à l'absorption, d'exciter de façon résonnante des noyaux absorbeurs, en les irradiant par le rayonnement gamma provenant de la désexcitation de noyaux du même isotope au sein d'une source appropriée.

Pour mieux comprendre la nature de l'effet Mössbauer, il est utile de répondre à deux questions. Le principe de conservation de la quantité de mouvement implique le recul de tout système émetteur. Or, dans un processus d'émission Mössbauer,[...]