MÖSSBAUER EFFET

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L'origine physique de l'effet Mössbauer

Lorsqu'un noyau libre émet par désexcitation un photon gamma, il acquiert une énergie cinétique de recul ER = 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 Eγ du photon gamma émis est égale à la différence E0 − ER. 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 ER 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.

Spectres d'émission et d'absorption

Dessin : Spectres d'émission et d'absorption

Les spectres d'émission (en haut) et d'absorption (en bas) comportent chacun une raie Mössbauer fine d'énergie E0 (trait vertical) et une composante large et décalée de part et d'autre de E0 par l'énergie de recul (ER). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Spectres d'émission et d'absorption

Dessin : Spectres d'émission et d'absorption

Les spectres d'émission (en haut) et d'absorption (en bas) comportent chacun une raie Mössbauer fine d'énergie E0 (trait vertical) et une composante large et décalée de part et d'autre de E0 par l'énergie de recul (ER). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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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, il n'y a pas dissipation d'énergie de recul au sein du réseau cristallin. Qu'est-il donc advenu de l'énergie cinétique de recul ? On doit admettre que c'est tout le cristal qui recule alors en bloc, emportant une énergie cinétique E′R = E02 / 2 Mc2 complètement négligeable par rapport à l'énergie de recul ER du noyau libre, puisque, cette fois, c'est la masse M du cristal qui intervient au dénominateur et non plus la masse m d'un seul noyau. La seconde question concerne l'absence d'élargissement thermique de la raie Mössbauer : il semblerait, à première vue, qu'un élargissement considérable de cette raie doive intervenir du fait de l'effet Doppler aléatoire, associé aux mouvements désordonnés d'agitation thermique des noyaux émetteurs ou absorbeurs dans la matière. En réalité, dans un solide, les mouvements atomiques sont des vibrations de période très courte et la vitesse des noyaux change de sens un grand nombre de fois pendant la durée d'émission (ou d'absorption) du train d'onde électromagnétique du photon gamma. Dans ces conditions, l'onde n'est pas affectée par l'effet Doppler, mais elle est modulée en fréquence par les vibrations du noyau. Or la théorie classique de la modulation de fréquence prévoit l'existence dans le rayonnement modulé d'une composante spectrale de fréquence inchangée (la raie Mössbauer), accompagnée de raies satellites qui se recouvrent les unes et les autres pour former la raie diffuse dont il a déjà été question.

L'effet Mössbauer a pu être mis en évidence sur plus de 70 isotopes, dont certains possèdent plusieurs transitions utilisables. L'effet cesse d'être observable pour des transitions d'énergie E0 supérieure à environ 160 keV. L'isotope de fer 57Fe (E0 = 14,4keV), qui possède des caractéristiques exceptionnellement favorables à l'effet Mössbauer, est de très loin l'isotope le plus utilisé.

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Rudolf Mössbauer

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Spectres d'émission et d'absorption

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Pour citer l’article

Pierre IMBERT, « MÖSSBAUER EFFET », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/effet-mossbauer/