Spectrométrie Mössbauer

La résonance gamma nucléaire ou spectrométrie Mössbauer (SM) utilise la possibilité d’observer dans les solides l’absorption résonnante sans recul de photons γ. Depuis sa découverte en 1958, l’effet Mössbauer a connu un développement extrêmement rapide, pour devenir une méthode de recherches fructueuse, puis un instrument compétitif dans le domaine de l’application et du contrôle. Comme pour d’autres techniques d’observation nucléaire (résonance magnétique nucléaire, corrélations angulaires perturbées, réactions nucléaires résonnantes…), l’intérêt primordial de l’effet Mössbauer réside actuellement dans ses applications possibles en physique et chimie de la matière condensée ; on peut citer en particulier la physique du solide, le magnétisme, la métallurgie physique et appliquée, la chimie de coordination, la catalyse, la minéralogie, la biologie, l’archéologie et les beaux-arts.

Comme les autres sondes nucléaires, la spectrométrie Mössbauer donne des renseignements locaux sur les noyaux qu’elle affecte, en particulier sur leur état de vibration, la densité électronique locale et le moment magnétique effectif. Ce type de données fournit des renseignements précieux sur l’état de valence des atomes correspondants, les liaisons qu’ils forment avec leurs voisins et leur position dans un réseau cristallin. Comme le fer est un des noyaux les plus faciles à mettre en œuvre, la métallurgie et la minéralogie sont des domaines de choix pour l’utilisation de la technique. L’effet Mössbauer fournit des données très utiles pour l’étude fondamentale des alliages et autres composés de fer comme les carbures et les oxydes. Cette méthode non destructive sert également à tester certaines propriétés de substances industrielles comme l’état d’agglomération du carbone ou de l’azote dans les aciers ou encore le degré d’oxydation de minerais. D’une manière générale, les possibilités de la spectrométrie Mössbauer concernent les relations entre les propriétés fondamentales des matériaux (structure électronique et magnétique, ordre structural ou chimique) et leurs propriétés moyennes massives qui sont susceptibles d’applications pratiques ; la SM se classe parmi les techniques de sonde locale.

La technique Mössbauer ne s’applique qu’à l’ état solide de la matière ; elle est de plus limitée à un certain nombre d’éléments, ou plus exactement à certains isotopes de ces éléments. Dans le domaine des sciences de l’ingénieur, il n’y a lieu de retenir que le fer et l’étain à cause de l’importance technologique de ces éléments et de leur relative simplicité expérimentale en SM. D’un caractère pluridisciplinaire tant du point de vue expérimental que théorique, la technique est non destructive et s’adapte à des analyses in situ à haute ou basse température, mais il faut signaler l’emploi de sources radioactives relativement intenses (par exemple : 1 à 3 GBq).

Le principe de la spectrométrie Mössbauer, traité de façon simple dans la première partie, pourra être abordé sans connaissance approfondie en physique nucléaire et aura pour but de définir les grandeurs physiques accessibles par la SM. La seconde partie est consacrée à la mise en œuvre expérimentale de la technique. On distinguera successivement le cas de l’effet Mössbauer en transmission, puis le cas de l’effet Mössbauer en réflexion en privilégiant la technique des électrons de conversion (CEMS). On traitera également les méthodes d’analyse des spectres à l’ordinateur. La troisième partie concernera le domaine des applications de l’effet Mössbauer (chimie, physique et minéralogie) ; les applications présentées ici sont retenues pour leur simplicité et leur intérêt pédagogique, mais n’ont aucun caractère exhaustif (tableau 1).