MÖSSBAUER EFFET

Intérêt et conditions d'emploi

Les raies Mössbauer possèdent la largeur naturelle Γ liée à la vie moyenne T de l'état excité du noyau par la relation d'incertitude Γ.T = h/2π (h étant la constante de Planck), et leur résolution Γ/E₀ approche couramment 10^-13, ce qui fait du rayonnement gamma émis sans recul l'un des rayonnements électromagnétiques les mieux définis en énergie dont disposent les physiciens. Ce rayonnement a donné naissance à une spectrométrie à très haut pouvoir de résolution : la spectrométrie Mössbauer.

Du point de vue expérimental, un montage de spectrométrie Mössbauer comporte essentiellement :

– Une source capable de produire les photons gamma sans recul, dans laquelle les noyaux excités émetteurs sont généralement créés par la désintégration d'un isotope radioactif convenable au sein d'une matrice solide : ainsi le cobalt 57 (⁵⁷Co) est-il le « parent » radioactif de l'isotope ⁵⁷Fe.

– Une lamelle de l'échantillon à étudier placée devant la source et contenant, dans leur état fondamental, des noyaux absorbeurs du même isotope que les noyaux émetteurs de la source (⁵⁷Fe dans l'exemple ci-dessus).

– Un dispositif permettant de mouvoir la source à vitesse variable pour modifier à volonté par effet Doppler l'énergie du rayonnement γ de part et d'autre de la valeur E₀. Le spectre d'absorption Mössbauer s'obtient en mesurant le flux de photons gamma transmis par l'échantillon en fonction de la vitesse de la source et, par conséquent, en fonction de l'énergie du rayonnement. Les raies d'absorption, au nombre de six dans l'exemple représenté sur la figure, correspondent à des minimums d'intensité du flux transmis. Les vitesses requises vont d'une fraction de millimètre par seconde à plusieurs dizaines de centimètres par seconde suivant les expériences.

Une structure à raies multiples comme celle de la figure résulte de l'éclatement des niveaux d'énergie nucléaire en sous-niveaux rapprochés (dits « hyperfins ») sous l'effet des influences magnétiques et électriques de l'entourage électronique. Une analogie entre énergies et longueurs permettra de mieux apprécier l'extraordinaire pouvoir de résolution mis en œuvre : la variation relative d'énergie entre deux raies consécutives du spectre de la figure est équivalente à une variation de moins de cinq millimètres de la distance séparant la Terre et la Lune.

Les sources utilisées en spectrométrie Mössbauer d'absorption sont généralement choisies exemptes de séparation hyperfine ; inversement, on choisit des absorbeurs à une seule raie lorsqu'on étudie des spectres Mössbauer d'émission comportant des raies multiples.