Spectrométrie Mössbauer

La spectrométrie Mössbauer est une méthode permettant de déterminer le degré d'oxydation et l'environnement d'élèments chimiques. L’effet Mössbauer, sur lequel s'appuie ce spectromètre, a valu le prix Nobel de physique à son découvreur, Rudolf Ludwig Mössbauer. Cette technique est principalement connue pour l'étude du fer mais est également applicable à toute espèce chimique dont le noyau atomique présente un spin non nul.

Principe

L'échantillon est excité par un rayonnement gamma (photons) dont on fait varier l'énergie autour d'une énergie de transition nucléaire. Pour cela, on dispose d'une source émettant un rayonnement continu, et on fait se déplacer la source par oscillations ; c'est l'effet Doppler-Fizeau qui produit la variation de l'énergie.

Un détecteur se trouve derrière l'échantillon. Lorsque l'énergie du rayonnement incident correspond à l'énergie de transition électronique, le rayonnement est absorbé, et donc l'intensité collectée est faible.

Il s'agit donc d'une spectrométrie d'absorption.

Le spectre Mössbauer est constitué d'un ensemble de multiplets dont la forme et la position (déplacement chimique) est à la fois caractéristique du nombre d'oxydation, mais aussi de la nature et de la géométrie des plus proches voisins de l'élément chimique étudié.

Applications

Corrosion aqueuse

Lors de la corrosion aqueuse du fer et de l'acier, il se forment différentes phases qui donnent la rouille. La spectrométrie Mössbauer fait partie de l'étude de ces phases.

Spectromètre embarqué dans des sondes spatiales

Cet instrument équipe les sondes Spirit, Opportunity et Beagle 2 envoyées vers Mars en 2003.

Sa mission était en outre de :

• déterminer l'abondance et la composition des minéraux riches en fer pour d'éventuelles exploitations futures,
• mesurer le magnétisme de divers matériaux martiens (sol, poussière, roches).

Décalage vers le rouge gravitationnel

La relativité générale prédit que la fréquence observée d'un signal émis à la surface d'un astre décroît si l'observation est effectuée loin de celui-ci. Intuitivement, c'est a traduction du fait que toute particule, y compris les photons, perd de l'énergie pour s'extraire d'un champ gravitationnel. De même, un signal de fréquence ν émis en haut d'une tour sera capté en bas de cette tour de hauteur h avec la fréquence ν' donnée par

$\nu' = \left(1 - \frac{g h}{c^2} \right) \nu$,

où g est l'accélération de la pesanteur terrestre et c la vitesse de la lumière. Pour une hauteur de 10 mètres, ν et ν' ne diffèrent que de 10^-15, une différence très difficile à mesurer. Historiquement, la première mise en évidence de cet effet en 1960 par R. V. Pound et G. A. Rebka utilisa l'effet Mossbauer découvert un an plus tôt^[1].

Note

1. ↑ (en) R. V. Pound and G. A. Rebka, Apparent Weight of Photons, Physical Review Letters, 4, 337-341 (1960) Voir en ligne (accès restreint).