MÖSSBAUER EFFET

Principales applications

Sensible à l'environnement immédiat du noyau de l'isotope choisi, la spectrométrie Mössbauer est un moyen d'investigation à la fois local et sélectif de la matière à l'état solide. Cette « sonde » est donc très employée, en recherche fondamentale comme en recherche appliquée, dans l'étude des propriétés physiques et chimiques des corps solides cristallisés ou amorphes.

Un premier paramètre accessible à la mesure est le déplacement isomérique de la raie Mössbauer, petit décalage de l'énergie E₀ de la transition nucléaire dû à la pénétration de certains électrons dans le noyau, qui renseigne notamment sur l'état de valence de l'ion Mössbauer et la nature des liaisons chimiques qui le concernent.

Les structures hyperfines des niveaux nucléaires résultent de l'action sur les moments magnétiques nucléaires (ou sur les moments quadrupolaires électriques) des champs magnétiques (respectivement des gradients de champ électrique) « vus » par les noyaux dans l'échantillon étudié. L'analyse de ces structures fournit des renseignements sur les propriétés magnétiques de l'échantillon ainsi que sur le nombre et sur les caractéristiques de symétrie locale des divers types de sites occupés par les atomes Mössbauer.

Enfin, les spectres Mössbauer sont sensibles à certaines propriétés dynamiques : amplitude et anisotropie des vibrations cristallines ; diffusion des atomes dans le cristal et agitation de leurs moments magnétiques (« relaxation de spins »).

L'extension des applications de la spectrométrie Mössbauer est pour une bonne part due aux caractéristiques très favorables de l'isotope ⁵⁷Fe, ainsi qu'à l'abondance du fer dans la nature, à la variété de ses combinaisons chimiques et à son rôle industriel. De plus, la spectrométrie Mössbauer constitue une méthode d'analyse non destructive d'échantillons. Parmi ses nombreuses applications, mentionnons, dans le domaine de la géophysique, la détermination des différentes formes chimiques du fer présent dans les minéraux et les roches, dans des fragments de météorites ou de sol lunaire ; en métallurgie, l'analyse des phases existant dans des alliages aux différents stades du traitement ; dans le domaine de la catalyse, l'étude des propriétés physico-chimiques de grains ultrafins, de films et de surfaces ; en biophysique, l'étude de la coordination et des propriétés physiques d'atomes de fer dans des molécules biologiques normales ou pathologiques telles que l'hémoglobine, ou la mise en évidence de micro-cristallites de magnétite (Fe₃O₄) dans certaines bactéries susceptibles de s'orienter dans le champ magnétique terrestre ; en archéologie, la détermination des conditions de cuisson de poteries anciennes, à partir de l'état d'oxydation et des propriétés magnétiques du fer provenant des argiles utilisées, ou encore l'analyse des pigments employés dans les peintures des tableaux anciens, etc.

Du fait de l'extraordinaire précision en énergie du rayonnement gamma émis sans recul, l'effet Mössbauer apparut dès l'origine comme une méthode expérimentale susceptible d'être utilisée pour la vérification de certains concepts fondamentaux de la physique. L'expérience la plus marquante dans cet ordre d'idée fut probablement celle réalisée à Harvard en 1959 par R. V. Pound et G. A. Rebka, qui vérifièrent l'une des prévisions de la théorie de la relativité : le déplacement vers le rouge des raies spectrales dans un champ de gravitation ou, comme on l'appelle parfois, le poids apparent des photons. Ils parvinrent en effet à déceler l'infime perte relative d'énergie (2,5 × 10^-15) de rayons gamma Mössbauer gravissant une distance verticale d'une vingtaine de mètres[...]