MÖSSBAUER, Rudolf

MÖSSBAUER, Rudolf

Fisico, nato a Monaco di Baviera il 31 gennaio 1929. Addottoratosi in fisica al politecnico di Monaco, vi rimase come ricercatore; nel 1960 passò al politecnico della California, a Pasadena, in cui divenne poi professore di fisica. Ha ricevuto nel 1961 il premio Nobel per la fisica per la scoperta, avvenuta nel 1958, durante il suo lavoro di tesi, dell'effetto che da lui prende nome.

Effetto Mössbauer. - Fenomeno consistente nell'assorbimento risonante, da parte di nuclei atomici di determinate sostanze, di raggi γ, emessi senza rinculo da nuclei di atomi legati in solidi. Tale fenomeno è alla base di una tecnica di spettroscopia γ ad alta risoluzione, la spettroscopia gamma risonante o spettroscopia Mössbauer. Il vantaggio fondamentale di questa tecnica è dovuto al fatto che viene evitata ogni perdita di energia causata dall'effetto di rinculo del nucleo.

Com'è noto, fenomeni di risonanza, familiari per la notevole diffusione che hanno in sistemi fisici "classici", avvengono anche per sistemi "quantici", quali molecole, atomi, nuclei atomici.

Ricordiamo che in generale la frequenza ν della radiazione emessa, o assorbita, in una transizione fra due stati di tali sistemi nella quale sia in gioco l'energia E_r, è legata a quest'ultima dalla relazione E_r = hν, con h costante di Planck (6,6 • 10^-34 J • sec, ovvero 4,13 • 10^-15 e V • sec). In realtà, a causa del principio di Heisenberg, il valore di E_r ha un'indeterminazione intrinseca, legata alla vita media dello stato eccitato, e parimenti indeterminata è di conseguenza la frequenza ν. In termini spettroscopici, si definisce una grandezza, chiamata larghezza di riga, Γ, che tenendo conto di questa indeterminazione permette di definire una distribuzione per la probabilità di emissione o di assorbimento di un quanto di energia. La larghezza di riga è collegata alla vita media dello stato eccitato, τ, dalla relazione Γ = h/(2πτ). Il rapporto Γ/E_r caratterizza il picco di risonanza: più esso è piccolo, più la risonanza risulta acuta e migliore è la selettività del sistema risonante.

Bisogna anche ricordare che, quando nella risonanza il quanto di energia o fotone viene emesso dal nucleo, il sistema emittente acquista, per il principio di conservazione della quantità di moto, una certa velocità in direzione opposta a quella in cui il fotone è emesso e quindi una certa energia cinetica R = E²_r/(2 mc²), dove m è la massa del nucleo e c la velocità della luce nel vuoto. Per tale effetto, detto "rinculo", si ha che i fotoni emessi hanno frequenza pari a (E_r − R)/h, anziché E_r/h (fig.1). Viceversa un fotone, per essere assorbito da un tale nucleo, dovrebbe avere energia E_r + R. Il massimo della probabilità di emissione è quindi spostato in energia di 2R rispetto a quello dell'assorbimento.

Così, se si considerano due nuclei identici, di cui uno emette, l'altro non è in grado di assorbire il fotone emesso: l'assorbimento è possibile quando le due righe rappresentative una dell'emissione l'altra dell'assorbimento, separate in energia di 2R, sono in genere sufficientemente larghe - sia per quanto detto sopra, sia per l'effetto Doppler connesso ai moti termici dei nuclei - perché si abbia una certa sovrapposizione fra esse (fig. ib).

Orbene, M. nel 1958 scoprì che in certi cristalli alcune transizioni γ risultavano caratterizzate da assenza di rinculo, partecipando a quest'ultimo tutto il cristallo e non il singolo nucleo emettente. In tal modo la larghezza spettrale della radiazione emessa si riduce praticamente a quella naturale, P, senza lo spostamento R/h dovuto al rinculo. Per es., per il ⁵⁷Fe, che è una di tali sostanze, ed è l'isotopo più usato, si ha Γ =4,6 • 10^-9 e V e Γ/E_r =3 • 10^-I3: tale nuclide costituisce una sorgente altamente monocromatica e come tale estremamente adatta a studi spettroscopici.

Non tutte le sostanze possono essere utilizzate come sorgenti M.; tra le principali caratteristiche, cui debbono soddisfare le sorgenti, vi è quella che hν sia minore di 150 keV. Infatti la probabilità che il reticolo del cristallo non modifichi il suo stato energetico per emissione del fotone γ risulta alta solo per basse energia del fotone.

Per studi di questo genere M. mise a punto un metodo di assorbimento in risonanza nucleare, appunto la "risonanza gamma nucleare" nominata prima, ove si utilizza una sorgente di radiazione γ emessa senza rinculo. Per ottenere una sorgente accordabile attorno al valore di frequenza caratteristico dei fotoni emessi, la sorgente stessa viene posta in movimento, e la velocità controllata con grande precisione, in modo da poter avere spostamenti per effetto Doppler della frequenza del fotone γ perfettamente determinati (v. fig. 2b). In tal modo se s'interpone sul cammino dei raggi γ un campione con nuclei dello stesso tipo di quelli della sorgente, in modo che possa assorbire fotoni di frequenza contenuta entro l'intervallo ottenibile per spostamento Doppler, si avrà un assorbimento risonante da parte del campione quando il massimo della sua curva di probabilità di assorbimento coincide con il massimo della riga naturale di emissione della sorgente; in tali condizioni un contatore di particelle γ, posto dietro il campione assorbente, rivelerà un minimo d'intensità. L'assorbimento totale sarà rappresentato da una curva di tipo lorentziano di larghezza, a metà altezza, pari a 2Γ: tale risultato è mostrato in fig. 2c, ove è rappresentato un tipico spettro Mössbauer.

Con tale tecnica è possibile determinare spostamenti spettrali pari a una piccola frazione della larghezza naturale di una riga, in particolare gli spostamenti causati dall'interazione degli elettroni con i nuclei: così, queste misure permettono di trarre alcune conclusioni sulla struttura elettronica del materiale che si analizza.

Le perturbazioni dei livelli di energia nucleare (fig. 3) studiate con l'effetto M. hanno principalmente due cause.

La prima è il cosiddetto spostamemo isomerico (ingl. isomer shift o chemical shift), che è un cambiamento effettivo nell'energia di transizione nucleare dovuto a distribuzioni di carica elettrica nei livelli più interni dell'atomo; esso fa variare l'energia della transizione, ma non separa i livelli energetici.

L'interazione iperfine, l'altra causa principale, separa i livelli di energia nucleare e dà luogo a struttura iperfine di livelli simmetrici rispetto a quello originario e pertanto il centro del sistema di righe non risulta spostato rispetto a quello della riga che si avrebbe in assenza di tale interazione. I contributi all'interazione iperfine sono di due tipi: a) elettrico (splitting quadrupolare), prodotto dall'interazione del momento di quadrupolo nucleare con il gradiente del campo elettrico dovuto alle cariche elettroniche, che circondano il nucleo, e b) magnetico (effetto Zeeman nucleare), che deriva dall'interazione del momento magnetico nucleare con un campo magnetico agente sul nucleo. I gradienti di campo elettrico possono essere prodotti sia da ioni leganti disposti in modo asimmetrico, sia da livelli elettronici parzialmente riempiti dello ione che si sta studiando. I campi magnetici sono originati da livelli elettronici parzialmente riempiti da elettroni di conduzione con spin polarizzati nei metalli, per superscambi in cristalli ionici e per applicazioni di campi magnetici esterni. Dalle strutture iperfini si possono trarre conclusioni sulla struttura elettronica, sulle proprietà magnetiche e sulla struttura cristallina.

Applicazioni. - Il maggior numero di infomnazioni ricavabili con la spettroscopia M. si riferisce alla fisica dello stato solido. Il campo di applicazione del metodo di assorbimento risonante è comunque piuttosto vasto se si considera che i nuclei adatti, ancorché siano relativamente pochi, possono essere facilmente incorporati in una grande varietà di strutture chimiche, sia come nuclei assorbenti, sia come nuclei emittenti. Fra le principali applicazioni possiamo ricordare:

a) nel campo della fisica dello stato solido: proprietà reticolari, campi interni, effetti di rilassamento, vibrazioni reticolari (in particolare per atomi di impurezze), studi di impurezze diluite e di strutture difettive, studi di strutture cristalline e di transizioni di fase, proprietà dei solidi sottoposti ad alte pressioni, ecc.;

b) nel campo della chimica pura e applicata: legami chimici e strutture molecolari, composti di metalli di transizione, di nontransizione, di terre rare, effetti chimici di trasformazioni nucleari, studi di cinetica chimica, reazioni di polimerizzazione di composti organo-metallici, processi chimici su superfici e interfacce, dinamica reticolare e anisotropia, ecc.;

c) nel campo della fisica nucleare: studio della variazione dei raggi di carica nucleari nelle transizioni γ, precise determinazioni dei momenti di quadrupolo degli stati nucleari e dei momenti magnetici degli stati nucleari eccitati, misurazioni di vita media, ecc.

d) per sistemi biologici, emoglobina, mioglobina, citocromo, perossidasi di piante, ferro e ferri-cromo, applicazioni nella ricerca medica, ecc.;

e) ricerche tecnologiche: analisi di minerali, cementi, materiali ceramici; reazioni di superfici nel suolo; geologia lunare; mineralogia; datazione dei materiali; ecc.

È poi da ricordare un'applicazione particolarmente significativa: la verifica dello spostamento gravitazionale delle righe spettrali verso il rosso, cioè lo spostamento delle linee spettrali emesse da una sorgente a potenziale gravitazionale diverso da quello dell'osservatore. Esperienze del genere furono effettuate per la prima volta nel 1960 da R.V. Pound e G.A. Rebka Jr., a Harvard, e, indipendentemente, a Harwell da T.E. Cranshaw e T.P. Schiffer, disponendo due cristalli di ⁵⁷Fe, uno agente da sorgente, l'altro da assorbitore, a quote diverse (circa 25 m a Harvard, circa 13 m a Harwell); i risultati sperimentali ben si accordano con lo spostamento di frequenza calcolabile a norma della teoria della relatività generale entro i limiti degli errori sperimentali, che sono risultati dell'ordine del 10%.

Bibl.: R.L. Mössbauer, in Zeitschrift für Physik, vol. 151 (1958), in Naturwissenschaften, vol. 45 (1958), in Z. Naturforschung, vol. 14, serie A (1959); G.K. Wertheim, Mössbauer effect: Principles and applications, New York 1964.