Мёссбауэровская спектроскопия основана на явлении резонансного поглощения и испускания γ-квантов атомными ядрами без отдачи энергии на колебания кристаллической решётки. Этот эффект, открытый Р. Мёссбауэром в 1958 году, получил название эффекта Мёссбауэра. Его фундаментальное значение заключается в том, что гамма-кванты, испускаемые и поглощаемые ядрами, обладают чрезвычайно высокой энергетической и частотной монохроматичностью, что делает возможным исследование малейших сдвигов ядерных энергетических уровней, вызванных различными физическими взаимодействиями.
Ключевой особенностью является то, что излучение и поглощение γ-кванта происходит без заметного участия атома в виде отдачи или теплового движения, что резко увеличивает вероятность резонансного взаимодействия. Это достигается благодаря закреплению атомов в узлах кристаллической решётки, где отдача передаётся всему кристаллу, а не отдельному атому.
Гамма-квант, участвующий в мёссбауэровском процессе, обладает энергией в несколько десятков кэВ, при этом ширина ядерного уровня составляет порядка 10⁻⁸–10⁻⁹ эВ. Это обеспечивает высочайшее энергетическое разрешение, которое недостижимо ни одним другим спектроскопическим методом.
Такая исключительная чувствительность позволяет регистрировать:
Изомерный сдвиг отражает разность энергий γ-кванта, обусловленную взаимодействием распределения ядерного заряда с электронной плотностью на ядре. Этот параметр чувствителен к:
Таким образом, измерение изомерного сдвига даёт информацию о валентном состоянии атомов и особенностях локальной электронной структуры.
Ядра, обладающие ненулевым квадрупольным моментом, могут взаимодействовать с градиентом электрического поля в окружении. В результате возникает квадрупольное расщепление ядерных уровней, которое проявляется как разделение спектральных линий.
Это явление позволяет исследовать:
При наличии магнитного поля на ядре (внешнего или внутреннего, обусловленного упорядоченными электронными спинами) возникает магнитное расщепление ядерных уровней. В спектре оно проявляется в виде характерной многоуровневой структуры, число компонент которой зависит от спиновых квантовых чисел.
Мёссбауэровская спектроскопия становится эффективным инструментом для изучения:
Мёссбауэровская спектроскопия реализуется с использованием радиоактивных источников γ-излучения, чаще всего изотопа ⁵⁷Co, распадающегося в ⁵⁷Fe. Спектр регистрируется по схеме «источник–поглотитель», где регистрируется интенсивность прошедшего излучения в зависимости от скорости движения источника относительно поглотителя.
Доплеровский сдвиг энергии γ-квантов, возникающий при движении источника, позволяет последовательно «просканировать» область резонансных энергий. Так формируется спектр, в котором положение, форма и интенсивность линий несут информацию о локальной среде атомов.
Мёссбауэровская спектроскопия также чувствительна к колебательной динамике решётки. Так называемый фактор безотдачного излучения (фактор Дебая–Валлера для ядерных переходов) зависит от температуры и массы атомов, что позволяет изучать фононные спектры, коэффициенты упругости и тепловое движение атомов.
Важным проявлением динамических процессов является эффект Лэмба–Мёссбауэра, определяющий вероятность безотдачного резонансного взаимодействия и зависящий от температуры, упругих свойств решётки и энергии γ-кванта.
Мёссбауэровская спектроскопия получила широкое применение в физике твёрдого тела, материаловедении, геофизике, химии и биофизике. Она используется для:
Метод ценен тем, что позволяет получать информацию одновременно о структуре, химии и магнетизме материала на атомарном уровне.