La scoperta di Mössbauer ha avuto conseguenze di vasta portata perché ha reso disponibile una radiazione elettromagnetica (raggi gamma) la cui frequenza è più precisamente definita di qualsiasi altra conosciuta finora e ha fornito una nuova tecnica per misurare l’interazione dei nuclei con il loro ambiente. Una risoluzione energetica migliore di una parte su 1012 è stata raggiunta con raggi gamma senza rinculo.
L’effetto Mössbauer ha trovato applicazione in molti settori della scienza. Negli studi sulla relatività, l’alta precisione con cui l’energia dei raggi gamma può essere misurata ha reso possibile una dimostrazione diretta del red-shift gravitazionale; cioè, il cambiamento nell’energia di un quantum di radiazione elettromagnetica mentre si muove attraverso un campo gravitazionale. Questo è stato realizzato misurando lo spostamento Doppler richiesto per compensare il cambiamento nell’energia del raggio gamma risultante da un cambiamento nella posizione verticale di 2.260 centimetri attraverso il campo gravitazionale della Terra. Il cambiamento misurato ammontava a 2,5 parti su 1015 (una velocità Doppler di 2,7 millimetri all’ora) ed era in stretto accordo con le previsioni teoriche. Cioè, è stato trovato che un fotone di energia E si comporta come se avesse una massa di E/c2, in cui c è la velocità della luce. In un esperimento correlato è stato trovato che l’energia del raggio gamma senza rinculo diminuisce con l’aumentare della temperatura della sorgente. Questo red-shift termico può essere interpretato in diversi modi. Può essere visto come un effetto Doppler relativistico di secondo ordine risultante dalla velocità quadratica media degli atomi nel solido, cioè il moto termico. D’altra parte, può essere visto come una dimostrazione diretta della dilatazione temporale relativistica, cioè il rallentamento dell’orologio in un sistema di coordinate in movimento, qui l’atomo, quando viene visto da un osservatore fermo. È stato sostenuto che il red-shift termico dell’effetto Mössbauer fornisce una risoluzione sperimentale diretta del famoso paradosso dei gemelli della relatività, dimostrando che un viaggiatore spaziale sarà più giovane al ritorno sulla Terra rispetto al suo gemello rimasto a casa.
Le applicazioni in fisica nucleare sono molteplici. L’effetto Mössbauer rende possibile la misura diretta della larghezza di una linea di raggi gamma, che corrisponde alla larghezza del livello nucleare in decadimento. I risultati sono in stretto accordo con il tempo di decadimento misurato, indicando che la larghezza dei raggi gamma senza rinculo in realtà è determinata interamente dal tempo di vita dello stato di decadimento. Lo spostamento isomerico, il cambiamento nell’energia di un raggio gamma nucleare dovuto all’interazione elettrostatica tra la carica nucleare ed elettronica, fornisce una misura del cambiamento nel raggio della carica nucleare quando il nucleo viene portato ad uno stato eccitato. La scissione dei livelli nucleari in componenti iperfini da gradienti di campo elettrico in cristalli di bassa simmetria o da campi magnetici in ferromagneti rende possibile la misura dei momenti di quadrupolo elettrico e dipolo magnetico nucleari. Sia gli spostamenti degli isomeri che le scissioni della struttura iperfine sono facilmente risolti negli spettri Mössbauer. L’ampiezza energetica di una risonanza Mössbauer fornisce una misura diretta dell’ampiezza dello stato eccitato coinvolto nel processo di emissione e assorbimento dei raggi gamma. Dalla larghezza, il tempo di vita dello stato eccitato può essere ottenuto direttamente.
Le applicazioni nella fisica dello stato solido rientrano ampiamente nelle categorie della dinamica del reticolo e delle interazioni iperfini, anche se sono stati fatti contributi in altre aree. La probabilità che un processo di emissione di raggi gamma sia privo di rinculo dipende dall’ampiezza delle vibrazioni termiche rispetto alla lunghezza d’onda del raggio gamma. Una misura della frazione di eventi di emissione che sono privi di rinculo, determinata dalla loro capacità di essere assorbiti in risonanza, fornisce l’ampiezza quadratica media del movimento termico nel solido. Usando cristalli singoli, l’ampiezza del moto può essere misurata in specifiche direzioni cristallografiche, fornendo un test rigoroso dei modelli dinamici del reticolo. Il red-shift termico menzionato sopra fornisce inoltre la velocità termica quadratica media.
Le interazioni iperfini magnetiche sono state particolarmente utili nello studio dei materiali magneticamente ordinati, cioè ferromagneti, ferrimagneti e antiferromagneti. L’interazione iperfine fornisce una misura indiretta della magnetizzazione del reticolo di ioni magnetici ed è stata usata per chiarire i dettagli delle interazioni magnetiche e la loro dipendenza dalla temperatura.
Le applicazioni in chimica si basano in gran parte sullo spostamento isomerico e sulla scissione del quadrupolo. Il primo misura la densità di carica degli elettroni s al nucleo e fornisce informazioni sul carattere dei legami chimici, per esempio, valenza e covalenza. Il secondo è sensibile sia alla simmetria dell’ambiente strutturale che alla funzione d’onda degli elettroni esterni dell’atomo che contiene il nucleo Mössbauer. La tecnica è stata applicata allo studio di composti metallo-organici di stagno e ferro, comprese le emoproteine; a composti inorganici di ferro, stagno, iodio e terre rare; così come a clatrati, catalizzatori e vetri contenenti isotopi Mössbauer diluiti.