La spettroscopia Mössbauer è una tecnica versatile utilizzata per fornire informazioni in molte aree della scienza come fisica, chimica, biologia e metallurgia.
La chiave del successo della spettroscopia Mössbauer è la scoperta dell'emissione e dell'assorbimento di raggi gamma senza rinculo indicato come “Effetto Mössbauer”,
Quando un nucleo atomico passa da uno stato eccitato con energia relativamente bassa allo stato di minima energia (stato fondamentale) emette una radiazione γ la cui energia non è, però, esattamente uguale alla differenza di energia tra i due stati.
Infatti il principio di indeterminazione di Heisenberg impone un'incertezza al valore dell'energia dello stato eccitato. Quindi, anche all'energia della radiazione, pari a h/2π ∙ 1/τ dove h è la costante di Planck ( h = 6.6∙10-27 erg s) e τ è la vita media dello stato eccitato.
Anche i nuclei hanno un momento angolare P: una rappresentazione classica del nucleo atomico lo vede raffigurato come una sfera che ruota lungo un asse.
Considerazioni quantomeccaniche dimostrano che anche il momento angolare è quantizzato e può essere espresso dall'equazione P = I(I+1) h essendo h la costante di Planck ed I il numero quantico del momento angolare indicato solitamente come spin nucleare. Lo spin nucleare può assumere valori di 0, 1/2 1, 3/2 , 2,… fino a 6.
Valore di I
Il valore di I può essere predetto teoricamente sulla base di quanto riassunto nella seguente tabella:
| I | Massa atomica | Numero atomico | Esempi |
| Frazione | Dispari | Dispari o pari | 1H ( 1/ 2) ,13C ( 1/ 2) |
| Intero | Pari | Dispari | 2D (1), 14N (1) |
| Zero | Pari | Pari | 12C (0) , 16O (0) |
I raggi γ emessi per una determinata transizione nucleare non hanno, quindi, tutti esattamente la stessa energia e, secondo il linguaggio spettroscopico, costituiscono una riga di raggi γ con larghezza finita. Uno schema di decadimento energetico nucleare con emissione di raggi è riportato in figura
in questo caso il nucleo 5727Co, nello stato energetico contraddistinto dal numero quantico di spin nucleare I = 7/2 e con vita media di 270 giorni subisce decadimento energetico per cattura elettronica e si trasforma nel nucleo 5726 Fe nello stato eccitato con I = 5/2 ( τ = 10-9 s) il quale, a sua volta, raggiunge lo stato fondamentale.
Tipi di decadimento energetico
Quest'ultimo decadimento energetico può seguire due vie:
1) una emissione di raggi γ con energia pari a circa 137.4 keV e con una probabilità di 0.09
2) una emissione con probabilità 0.91 costituita da raggi γ con energia di circa 123 keV e da raggi γ con energia di circa 14.4 keV
Misurando l'energia in elettronvolt ( 1 eV = 1.6 ∙10-2 erg), la larghezza della riga dei raggi γ diventa dell'ordine di 10-16 /τ (τ è misurato in secondi).
Poiché l'energia dei raggi γ è di solito compresa tra 104 e 105 eV, mentre la vita media degli stati eccitati nucleari è compresa tra 10-7 e 10-9 s le larghezze ΔE delle righe γ sono piccolissime; per esempio per la radiazione γ emessa dal 57Fe con energia di 1.44 · 104 eV, vita media τ = 10-7 s , la larghezza relativa ΔE/E risulta 4.16 · 10-14 ( per confronto si ricordi che la larghezza relativa delle righe degli spettri ottici è dell'ordine di 10-6 e che quella delle righe dei raggi X è di 10-4.
Raggi γ
Per i raggi γ si raggiunge, quindi, una omogeneità energetica fra i fotoni della radiazione infinitamente superiore a quelle riscontrate in qualsiasi altra radiazione. In pratica, però, le radiazioni γ, a causa del moto di agitazione termica dei nuclei della sorgente, presentano righe più larghe del previsto. Pertanto a causa dell'effetto Doppler relativo al moto termico, la radiazione γ assume una larghezza di riga che dipende dal rapporto tra la velocità di agitazione termica ( che può essere dell'ordine di 10-4 cm/s) dei nuclei della sorgente e la velocità della luce ( c = 3 ∙1010 cm/s) ed è quindi dell'ordine di 10-6.
Si deve, però, tenere conto anche del fatto che il nucleo quando emette la radiazione γ subisce uno spostamento di rinculo e che quindi alla energia della radiazione γ si deve sottrarre l'energia di rinculo.
Pertanto, anche eliminando i moti termici degli atomi della sorgente il moto di rinculo provocherebbe una variazione energetica nella radiazione γ tale che questa non avrebbe più l'energia sufficiente per provocare in un atomo uguale a quello della sorgente la transizione uguale e contraria a quella che l'ha generata.
