Mössbauer effect

The phenomenon in which atomic nuclei in a solid undergo resonant absorption or scattering without recoil. This phenomenon is named after Mössbauer, who discovered it in 1958.

When a single atomic nucleus, such as a monoatomic gas, emits a gamma ray and transitions from an excited state to the ground state, the nucleus recoils by the momentum of the emitted gamma ray. The energy E ₀ of the gamma ray emitted by the recoil is reduced by E ₀ ² /2Mc ² (M is the mass of the nucleus, c is the speed of light). This recoil energy is significantly larger than the resonance linewidth of the nucleus, about one million times, because the energy of the gamma ray emitted from the nucleus is relatively high. In addition, when a single atomic nucleus absorbs a gamma ray, the same energy is lost. For this reason, it is difficult to observe the resonance phenomenon caused by gamma rays between single atomic nuclei. On the other hand, when a nucleus is bound to a solid, the mass M of the nucleus can be considered to include the mass of the surrounding atoms due to the binding, that is, the mass M of the nucleus can be considered to be apparently larger. In this case, the energy lost by the recoil of the gamma ray emitted from the nucleus when emitting the gamma ray is reduced to the resonance linewidth, and it can be observed as a nuclear resonance phenomenon without recoil. This phenomenon is called the Mössbauer effect.

The Mössbauer effect was first observed in the atomic nucleus ^191Ir . It is observed when the atomic nucleus is in a solid, and generally occurs more easily at lower temperatures where the material becomes harder. In addition, the smaller the recoil energy, the easier it is to observe, so it is easier to observe when the energy of gamma rays is relatively low and the mass of the atomic nucleus is relatively heavy. For this reason, there are many known examples of observations in the nuclei of relatively heavy elements such as rare earth elements. To date, it has been observed in approximately 40 types of elements and approximately 80 types of atomic nuclei.

The Mössbauer effect can measure energy changes as small as one billionth of the energy at which resonance is observed, because the resonance linewidth of the nucleus is very narrow. This narrow resonance linewidth can be used to observe very small changes due to changes in the state of the nucleus. The electrons surrounding the nucleus in a material create magnetic fields and electric field gradients at the position of the nucleus, which are specific to the material, and change the state of the nucleus through interactions with the electrons called hyperfine interactions. These changes in the state of the nucleus are used to investigate the properties of nuclei and materials. Hyperfine interactions that can be observed with the Mössbauer effect include isomer shifts (also called isomer shifts), nuclear quadrupole interactions, and nuclear Zeeman splitting. In isomer shifts, the energy level of the nucleus changes due to changes in electron density at the nucleus, so the valence of an atom can be determined by detecting the energy level difference from a reference material. In nuclear quadrupole interactions, the level of the nucleus is split by the electric field gradient created by the electrons at the nucleus, so the bonding state of the valence electrons and the orbital occupancy state of the electrons can be determined. Nuclear Zeeman splitting is the splitting of levels in an atomic nucleus caused by the magnetic field created by electrons at the position of the atomic nucleus, called the internal magnetic field. In magnetic atoms such as iron (Fe), the magnitude of the internal magnetic field created by the surrounding electrons at the position of the atomic nucleus can be used to determine the magnitude of the magnetic moment that is magnetically arranged periodically within the crystal. Such level splitting and shifts due to hyperfine interactions are observed as Mössbauer spectra, and the number and intensity ratio of absorption lines can be used to determine the type of hyperfine interaction observed, the electric field gradient at the position of the atomic nucleus, and the direction of the magnetic field. In addition, the probability of observing the Mössbauer effect in a certain material, called the recoilless fraction, reflects how strongly the atomic nuclei that cause the Mössbauer effect are bound to the material, and can therefore be used to determine the hardness of the material at the atomic level.

Many studies using Mössbauer spectroscopy have been reported for nuclei such as ^57Fe , ^119Sn , and ^151Eu , which can observe the Mössbauer effect at room temperature and for which long-lived radiation sources are easily available. For nuclei for which long-lived radiation sources are not available, radiation sources can be created by irradiating chemically stable materials with protons or neutrons, or nuclei produced in accelerators can be embedded in materials to measure the Mössbauer effect and investigate the properties of nuclei and materials. In addition, it is possible to observe using powerful X-rays called synchrotron radiation instead of gamma rays emitted from nuclei. In addition to the hyperfine interactions between electrons and nuclei mentioned above, this method can also be used to investigate how nuclei causing the Mössbauer effect vibrate in materials.

The Mössbauer effect is also used in microanalysis, for example in the analysis of minerals and meteorites. A palm-sized experimental device is installed on a Mars exploration rover to analyze rocks on Mars.

[Tomotsugu Tsutsui]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

固体中にある原子核が、反跳せずに共鳴吸収または散乱する現象。この現象を1958年に発見したメスバウアーにちなんで名づけられた。

　単原子分子の気体のような単体の原子核がγ(ガンマ)線を放出して励起状態から基底状態に遷移するとき、原子核は放出するγ線の運動量だけ反跳を受ける。原子核が受けた反跳によって放出されるγ線のエネルギーE₀は、E₀²/2Mc²（Mは原子核の質量、cは光速）だけ減少する。この反跳エネルギーは、原子核から放出されるγ線のエネルギーが比較的高いために、原子核の共鳴線幅に比べて100万倍程度と著しく大きい。また、単体の原子核がγ線を吸収する場合には、同じエネルギーが失われる。このために、単体の原子核どうしのγ線による共鳴現象の観測はむずかしい。一方、原子核が固体中に束縛されている場合には、その束縛によって原子核の質量Mを周りの原子を含めた質量として、すなわち原子核の質量Mが見かけ上大きくなったとみなすことができる。このとき、γ線を放出する際に原子核から放出されるγ線が、反跳によって失われるエネルギーは共鳴線幅程度まで小さくなり、反跳を伴わない原子核の共鳴現象として観測することができる。この現象をメスバウアー効果とよぶ。

　メスバウアー効果は、¹⁹¹Irという原子核で初めて観測された。原子核が固体中にある場合に観測され、一般に物質が硬くなる低い温度ほど起こりやすい。また、反跳エネルギーが小さいほどその観測が容易なことから、γ線のエネルギーが比較的小さく原子核の質量が比較的重いほうがより容易に観測することができる。このため、比較的重い希土類元素などの原子核において多くの観測例が知られている。これまでに、約40種類の元素、約80種類の原子核で観測されている。

　メスバウアー効果は、原子核の共鳴線幅が非常に狭いために、共鳴が観測されるエネルギーに対して10億分の1未満の小さなエネルギーの変化まで測定することができる。この狭い共鳴線幅を利用して、原子核の状態変化などによる非常に小さな変化を観測することが可能である。物質中で原子核を取り巻く電子は、物質固有の磁場や電場勾配などを原子核位置につくり出し、超微細相互作用とよばれる電子との相互作用を通じて原子核の状態を変化させる。このような原子核の状態の変化は、原子核や物質の性質を調べることに使用されている。メスバウアー効果で観測可能な超微細相互作用には、アイソマー・シフト（異性体シフトともよばれる）、核四極子相互作用や核ゼーマン分裂がある。アイソマー・シフトでは原子核位置での電子密度の変化によって原子核のエネルギー準位が変化するために、基準物質からのエネルギー準位差を検知することによって原子の価数を知ることができる。核四極子相互作用では、電子が原子核位置につくる電場勾配によって原子核の準位が分裂するので、価電子の結合状態や電子の軌道占有状態などを知ることができる。核ゼーマン分裂は、電子が原子核位置につくる内部磁場とよばれる磁場によって原子核に生じる準位の分裂のことである。鉄（Fe）などの磁性原子では、原子核位置に周りの電子がつくり出す内部磁場の大きさから、結晶内で磁気的に周期配列した磁気モーメントの大きさを知ることができる。このような超微細相互作用による準位の分裂やシフトは、メスバウアー・スペクトルとして観測され、吸収線の本数や強度比から観測された超微細相互作用の種類、原子核位置での電場勾配、磁場の向き、を知ることができる。このほかに、無反跳分率とよばれる、ある物質中でのメスバウアー効果の観測確率は、メスバウアー効果を起こす原子核が物質にどれだけ強く束縛されているかを反映するので、原子レベルでの物質の硬さを知ることができる。

　メスバウアー分光を用いた研究は、室温でメスバウアー効果の観測が可能で、長寿命の線源の入手が容易である⁵⁷Fe、¹¹⁹Sn、¹⁵¹Euという原子核で多くの報告がある。長寿命の線源が得られない原子核では、化学的に安定な物質に陽子や中性子などを照射して線源を作成したり、あるいは加速器で生成した原子核を物質中に埋め込むことにより、メスバウアー効果の測定を行い、原子核や物質の性質を調べる手段として利用されている。このほかに、放射光とよばれる強力なX線を、原子核から放出されるγ線のかわりに使用して観測することも可能である。この手法では、前述の電子と原子核による超微細相互作用のほかに、メスバウアー効果を起こしている原子核が物質中でどのように振動しているかについて調べることができる。

　また、メスバウアー効果は微量分析、たとえば鉱物や隕石などの分析にも利用されている。火星探査のローバー（探査車）に、掌に載るほどの小さな実験装置を搭載し、火星の岩石などの分析も行われている。

［筒井智嗣］

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例