La découverte de Mössbauer a eu des conséquences considérables car elle a rendu disponible un rayonnement électromagnétique (rayons gamma) dont la fréquence est définie avec plus de précision que tout autre connu à ce jour et a fourni une nouvelle technique pour mesurer l’interaction des noyaux avec leur environnement. Une résolution énergétique meilleure qu’une partie sur 1012 a été obtenue avec des rayons gamma sans recul.
L’effet Mössbauer a trouvé des applications dans de nombreux domaines scientifiques. Dans les études de relativité, la grande précision avec laquelle l’énergie du rayon gamma peut être mesurée a permis une démonstration directe du décalage vers le rouge gravitationnel, c’est-à-dire le changement d’énergie d’un quantum de rayonnement électromagnétique lorsqu’il se déplace dans un champ gravitationnel. Pour ce faire, on a mesuré le décalage Doppler nécessaire pour compenser la variation de l’énergie du rayon gamma résultant d’un changement de position verticale de 2 260 centimètres dans le champ gravitationnel de la Terre. La variation mesurée s’élevait à 2,5 parties sur 1015 (une vitesse Doppler de 2,7 millimètres par heure) et était en accord étroit avec les prédictions théoriques. En d’autres termes, on a constaté qu’un photon d’énergie E se comporte comme s’il avait une masse de E/c2, où c est la vitesse de la lumière. Dans une expérience connexe, on a constaté que l’énergie du rayon gamma sans recul diminue avec l’augmentation de la température de la source. Ce décalage vers le rouge thermique peut être interprété de plusieurs façons. Il peut être considéré comme un effet Doppler relativiste de second ordre résultant de la vitesse quadratique moyenne des atomes dans le solide, c’est-à-dire le mouvement thermique. D’autre part, elle peut être considérée comme une démonstration directe de la dilatation du temps relativiste, c’est-à-dire le ralentissement de l’horloge dans un système de coordonnées en mouvement, ici l’atome, lorsqu’elle est vue par un observateur immobile. Il a été avancé que l’effet Mössbauer décalage thermique vers le rouge fournit une résolution expérimentale directe du célèbre paradoxe des jumeaux de la relativité en montrant qu’un voyageur de l’espace sera plus jeune à son retour sur Terre que son jumeau resté à la maison.
Les applications en physique nucléaire sont multiples. L’effet Mössbauer rend possible la mesure directe de la largeur d’une raie gamma, qui correspond à la largeur du niveau nucléaire en désintégration. Les résultats sont en accord étroit avec le temps de désintégration mesuré, ce qui indique que la largeur des rayons gamma sans recul est en fait entièrement déterminée par la durée de vie de l’état en désintégration. Le décalage isomérique, la variation de l’énergie d’un rayon gamma nucléaire due à l’interaction électrostatique entre la charge nucléaire et la charge électronique, fournit une mesure de la variation du rayon de la charge nucléaire lorsque le noyau est porté à un état excité. La division des niveaux nucléaires en composantes hyperfines par les gradients de champ électrique dans les cristaux de faible symétrie ou par les champs magnétiques dans les ferromagnétiques permet de mesurer les moments quadripolaires électriques et dipolaires magnétiques nucléaires. Les déplacements d’isomères et les divisions de la structure hyperfine sont facilement résolus dans les spectres Mössbauer. La largeur d’énergie d’une résonance Mössbauer fournit une mesure directe de la largeur de l’état excité impliqué dans le processus d’émission et d’absorption des rayons gamma. À partir de cette largeur, la durée de vie de l’état excité peut être directement obtenue.
Les applications dans la physique de l’état solide entrent globalement dans les catégories de la dynamique des réseaux et des interactions hyperfines, bien que des contributions aient été apportées dans d’autres domaines. La probabilité qu’un processus d’émission de rayons gamma soit sans recul dépend de l’amplitude des vibrations thermiques par rapport à la longueur d’onde du rayon gamma. Une mesure de la fraction des événements d’émission qui sont sans recul, déterminée par leur capacité à être absorbés par résonance, fournit l’amplitude quadratique moyenne du mouvement thermique dans le solide. En utilisant des monocristaux, l’amplitude du mouvement peut être mesurée dans des directions cristallographiques spécifiques, ce qui constitue un test rigoureux des modèles dynamiques de réseau. Le décalage thermique vers le rouge mentionné ci-dessus donne en plus la vitesse thermique quadratique moyenne.
Les interactions hyperfines magnétiques ont été particulièrement utiles dans l’étude des matériaux magnétiquement ordonnés ; c’est-à-dire les ferromagnétiques, les ferrimagnétiques et les antiferromagnétiques. L’interaction hyperfine donne une mesure indirecte de la magnétisation du réseau d’ions magnétiques et a été utilisée pour élucider les détails des interactions magnétiques ainsi que leur dépendance à la température.
Les applications en chimie reposent en grande partie sur le décalage isomérique et le fractionnement quadripolaire. Le premier mesure la densité de charge des électrons s au niveau du noyau et donne des informations sur le caractère des liaisons chimiques ; par exemple, la valence et la covalence. La seconde est sensible à la fois à la symétrie de l’environnement structurel et à la fonction d’onde des électrons extérieurs de l’atome contenant le noyau Mössbauer. La technique a été appliquée à l’étude des composés organométalliques de l’étain et du fer, y compris les hémoprotéines ; aux composés inorganiques du fer, de l’étain, de l’iode et des terres rares ; ainsi qu’aux clathrates, aux catalyseurs et aux verres contenant des isotopes Mössbauer dilués.