ESPECTROSCOPIA MÖSSBAUER

Rudolf L. Mössbauer foi o notável físico alemão responsável pela descoberta do Efeito Mössbauer. Em espectroscopia, a técnica de Mössbauer auxilia na identificação de espécies químicas usando radiação gama (γ). Em 1957, Rudolf trabalhava em sua tese de doutorado com o professor Heinz Maier-Leibnitz quando elaborou um método baseado na ideia de que se os átomos que emitem e absorvem fazem parte de uma rede cristalina, o fenômeno de ressonância poderia, com certa probabilidade, ocorrer sem recuo.

Físico alemão Rudolf L. Mössbauer

Mössbauer realizou duas grandes mudanças nos estudos da época sobre a ressonância nuclear. A primeira delas foi incorporar os núcleos de emissão e absorção em cristais, de modo que a energia de recuo fosse absorvida pelo sólido. A saber, a energia de recuo é a energia perdida durante a emissão ou absorção da radiação γ, efeito similar ao observado quando uma arma recua ao se disparar uma bala. A segunda alteração proposta foi a redução da temperatura nos experimentos, pois ele acreditava que a ligação química no cristal seria capaz de influenciar na absorção do efeito de recuo. Os resultados destes experimentos conferiram o Prêmio Nobel de Física a Rudolf no ano de 1961, e mais tarde a absorção de ressonância nuclear sem recuo passou a ser conhecida como Efeito Mössbauer.

O Efeito Mössbauer

A emissão γ numa transição de estado nuclear – em núcleos com número de massa maior que 5 – geralmente ocorre posteriormente a outro decaimento nuclear. O novo núcleo formado, que estará em estado excitado, também decairá emitindo um fóton γ. Se outro núcleo idêntico ao emissor no estado fundamental for atingido pelo fóton γ, ele poderá absorver o fóton e apresentar excitação com energia igual àquela do núcleo emissor antes do decaimento.

Esquematização da absorção ressonante

A energia do fóton γ dependerá de diferentes fatores como, por exemplo, o estado de ligação do átomo que contém o núcleo emissor, o movimento relativo entre os núcleos absorvedor e emissor, da direção de propagação, da área de choque da interação e interferências na trajetória do raio. Devido à natureza destes fenômenos envolvidos, a ressonância entre emissão e absorção de espectros ocorrerá em condições muito específicas. A ressonância entre emissão e absorção de estados nucleares também ocorre em líquidos e gases em algumas circunstâncias, contudo, o Efeito Mössbauer só pode ser observado no estado sólido.

O fóton γ causa um recuo negativo na linda de emissão do núcleo, e um recuo positivo na amostra durante a absorção deste fóton, conforme esquematizado na imagem abaixo. Para que ocorra a ressonância, as curvas de emissão e absorção devem estar ao menos parcialmente sobrepostas.

Linhas de energia de emissão e absorção do núcleo e da amostra quando (a) não ocorre a ressonância e (b) há ressonância

Princípios básicos da espectroscopia de Mössbauer

No modo mais comum da espectroscopia Mössbauer de absorção, uma fina amostra sólida contendo núcleos potencialmente absorvedores em seu estado fundamental é exposta a radiação γ, isótopos em seus estados excitados, e um detector mede a intensidade da radiação transmitida através da amostra. No detector os sinais de fótons são convertidos em sinal elétrico e em seguida passam por uma sequência de componentes eletrônicos que ampliam e selecionam os sinais. A energia da radiação γ é alterada variando a aceleração da fonte de radiação com um motor linear. O movimento relativo entre a fonte e a amostra resulta num desvio energético devido ao efeito Dopple, fenômeno físico observado em ondas emitidas ou refletidas por um objeto em movimento em relação a um observador.

Esquema de arranjo típico para Espectroscopia Mössbauer

Aplicabilidade

A eficácia do método possibilita a medição de níveis de energia nuclear com grande precisão. Assim é possível determinar variações causadas por interações entre os elétrons e o núcleo que refletem as variações na estrutura eletrônica, magnética, geométrica ou em defeitos, assim como em vibrações da rede.

Rudolf Mössbauer faleceu em 2011, mas pode acompanhar o desenvolvimento da sua teoria desde a sua concepção até seu uso em robôs de exploração de Marte. A relativa simplicidade e robustez de equipamentos tão precisos conferem a Espectroscopia Mössbauer uma grande versatilidade de aplicações. A técnica pode ser utilizada para investigação de estados físicos nucleares, propriedades de moléculas orgânicas e inorgânicas, caracterização de solo e verificação de efeitos relativísticos. Assim, o uso da Espectroscopia Mössbauer não se restringe aos laboratórios de Física, grupos de pesquisas das mais diversas áreas fazem uso corriqueiro da técnica em muitos países.

Sonda Mars Exploration Rovers em Marte equipado com um Espectrômetro Mössbauer Miniaturizado II (Mimos II)

REFERÊNCIAS

Espectroscopia Mössbauer: da Física Nuclear à verificação de efeitos relativísticos

Espectroscopia de Mössbauer e Mecanosíntese

Investigação por espectroscopia Mössbauer das fases formadas e sua influência na resistência à corrosão do aço inoxidável austenítico AISI 316L nitretado 

Rudolf Mössbauer

Uma introdução à espectroscopia Mössbauer para químicos