כאשר גרעין דועך באופן רדיואקטיבי לגרעין אחר (לדוגמה באמצעות דעיכת בטא), המצב האנרגי הקוונטי של הגרעין החדש שונה מהמצב ברמת היסוד. במצב כזה, הגרעין החדש ידעך לרמת היסוד הגרעינית ויפלוט קרינה אלקטרומגנטית שתסחוב איתה את עודף האנרגיה. הפרשי האנרגיה בין מצבי האנרגיה השונים של הגרעין הם מסדר גודל של עשרות קילו אלקטרון וולט (לדוגמה - בדעיכת של ברזל-57 האנרגיה היא 14.4 קילו אלקטרון וולט) ולכן הפוטונים הנפלטים במהלך הדעיכה הם באנרגיה מסדר גודל כזה, ולכן הם מהווים קרינת גמא.
הזמן האופייני לדעיכה בין רמות האנרגיה הגרעיניות הוא מסדר גודל של מאות ננו-שניות (לדוגמה - בברזל-57 הזמן האופייני הוא 140 ננו-שניות). בהתאם לעקרון אי-הודאות של הייזנברג הזמן האופייני קובע אי-ודאות באנרגיה של הדעיכה מסדר גודל של ננו-אלקטרון וולט בודדים (בברזל-57 - 2.4 ננו אלקטרון וולט). אי הודאות הזו היא אינהרנטית לדעיכה, ואיננה נובעת משגיאה באמצעי המדידה. להרחבה הזו של הקו הספקטרלי קוראים הרחבה טבעית. באופן דומה, כאשר קרינת גמה עוברת בקרבת גרעין היא יכולה לערער את הגרעין לרמה שונה מרמת היסוד אם ההפרש בין האנרגיה של הקרינה לאנרגיה של המעבר הגרעיני הוא מסדר גודל של רוחב הקו.
רתיעה גרעינית.
בדיוק כפי שאקדח נרתע כאשר כדור נורה, שימור התנע דורש שגרעין הפולט קרינה אלקטרומגנטית יירתע במהלך הפליטה של קרן הגמא. אם גרעין במנוחה "פולט" קרן גמא, אנרגיית הגמא "קטנה" מעט מהאנרגיה של המעבר בין רמות האנרגיה הגרעיניות. על מנת שגרעין במנוחה "יספוג" קרן גמא, אנרגיית קרן הגמא צריכה להיות מעט "גדולה" מאנרגיית המעבר הטבעית.
ביחס לאנרגיה של המעבר האנרגיה של הפוטון היא מסדר גודל של formula_1 (כאשר formula_2 אנרגיית המעבר, ו-formula_3 אנרגיית המנוחה של הגרעין, המינוס מתקבל עבור קרינת גמא הנפלטת מדעיכה והפלוס עבור קרינה הפוגעת בגרעין ומערערת אותו). מאחר שאנרגיית המנוחה של הגרעין היא מסדר גודל של מאות ג'יגה אלקטרון וולט נקבל שההפרש בין האנרגיה של קרינת הגמא לאנרגיה של המעבר היא מסדר גודל של מילי אלקטרון וולט. כלומר ההפרש גבוה בהרבה מרוחב הקו של המעבר. המשמעות היא שפליטה ובליעה של אותה קרן גמא על ידי גרעינים זהים באמצעות מעבר בין אותם רמות אנרגיה בגרעינים שונים אינה אפשרית עם גרעינים חופשיים, מכיוון שהרתיעה גורמת לכך שהאנרגיה של הקרינה הנפלטת קטנה מדי. כאשר פליטה ובליעה כזו אפשריות חלק ניכר מהקרינה ייבלע והבליעה תיקרא בליעה בתהודה.
אפקט מסבאואר.
גרעינים בגביש מוצק, לעומת זאת, אינם חופשיים להירתע מכיוון שהם קשורים במקומם בסריג. כאשר גרעין במוצק פולט או סופג קרן גמא, אנרגיה מסוימת עדיין יכולה ללכת לאיבוד כאנרגיית רתיעה, אך במקרה זה היא האנרגיה של הרתיעה היא ברמות אנרגיה מקבלות ערכים בדידים, רמות אנרגיה אלה מאפיינות תנודה של הסריג ונקראות פונונים. בבליעה או פליטה כזו, ניתן לפלוט כל מספר שלם של פונונים, כולל אפס, אירוע הידוע כאירוע "ללא רתיעה". במקרה כזה, שימור התנע מסופק על ידי התנע של הגביש בכללותו, כך שלמעשה האנרגיה הקינטית של הסריג היא אפסית, וכל האנרגיה של המעבר הגרעיני עוברת לקרינת הגמא.
מסבאואר מצא שבסריגים מסוימים חלק ניכר מאירועי הפליטה והספיגה יהיו נטולי רתיעה. כמות האירועים הללו ניתנת לכימות באמצעות פקטור לאמב-מסבאואר. האפקט בו גרעין בסריג פולט קרינה ללא רתיעה נקרא אפקט מסבאואר, והוא שמאפשר את ספקטרוסקופיית מסבאואר העושה שימוש בקרינת גמא הנבלעת בתהודה, כאשר גם הפליטה וגם הבליעה מתבצעות ללא רתיעה.
הסחת דופלר.
אפקט מסבאואר מאפשר לקרינה הנפלטת מסריג מסוים להיקלט בתהודה בסריג של אותו חומר בדיוק בו אנרגיות המעבר הגרעיניות שוות בדיוק. אולם אין בכך די כדי לאפשר ספקטרוסקופיה של דגימות שונות במקצת. כדי לאפשר ספקטרוסקופיה כזו, נעשה שימוש באפקט דופלר. אם הגרעין שפולט את הקרינה נמצא בתנועה ביחס לגרעין שקולט אותה, מתבצעת הסחת דופלר של הקרינה, והאנרגיה של הגמא כפי שנצפית בגרעין הקולט היא formula_4 (כאשר formula_5 היא המהירות היחסית בין הגרעינים ו-formula_6 מהירות האור). באמצעות הזזה של הגרעין הפולט במהירויות שונות, ניתן למדוד את המהירות בה יש להזיז את הסריג בו נמצא הגרעין הפולט כדי לאפשר לו להיקלט בגרעין בדגימה. מאחר שאנרגיית המעבר היא מסדר גודל של קילו אלקטרון וולט, מספיק להזיז את הסריג הפולט במהירות של מילימטרים בודדים לשנייה כדי לאפשר הזזה של אנרגיית הפוטון בעשרות ננו אלקטרון וולט.
שיטה אופיינית.
בצורה הנפוצה ביותר ספקטרוסקופיית מסבאואר מבוצעת באמצעות בליעה. בשיטה זו, דגימה בסריג מוצק נחשפת לקרן של קרינת גמא הנפלטת מסריג אחר, וגלאי מודד את עוצמת הקרן המועברת דרך הדגימה. הגרעינים שבמקור הפולטים את קרני הגמא חייבים להיות מאותו איזוטופ כמו הגרעינים בדגימה הקולטת אותם.
כמוסבר לעיל, אם הגרעינים הפולטים והבולעים היו בסביבות כימיות זהות, אנרגיות המעבר הגרעיניות היו שוות בדיוק וחלק ניכר מהקרינה הייתה נבלעת בתהודה. במקרה המורכב יותר, ההבדל בסביבות הכימיות בין הסריגים, גורם לרמות האנרגיה הגרעיניות להשתנות בכמה דרכים שונות, כמתואר להלן. אף על פי ששינויי האנרגיה הללו הם זעירים (לעיתים קרובות פחות ממיקרו אלקטרון וולט), הרוחב הטבעי הצר של קרינת הגמא מונעת מהקרינה הנפלטת להיקלט בתהודה בסריג המטרה. כדי לגרום למצב בו כן מתקיימת תהודה בקליטת קרינת הגמא, נעשה שימוש בהסטת דופל.
במהלך ספקטרוסקופיית קליטה של מסבאואר, המקור מואץ בטווח מהירויות באמצעות מנוע ליניארי כדי לייצר אפקט דופלר ולמצוא באיזה מהירויות של המקור מתבצעת בליעה של קרני הגמא במטרה. טווח אופייני של מהירויות עבור ברזל-57, למשל, עשוי להיות ±11 מ"מ\שנייה (עבור ברזל-57 הזזה במהירות של 1 מ"מ\שנייה תוביל לשינוי של כ-50 ננו אלקטרון וולט באנרגיה של קרינת הגמא).
בספקטרום המתקבל, עוצמת קרינת הגמא בגלאי שמוצב מאחורי המטרה משורטטת כפונקציה של מהירות המקור. במהירויות שמתאימות לרמות האנרגיה התהודה של הדגימה, נספגים חלק גדול של קרני הגמא ביחס למהירויות בהם קרינת הגמא לא נספגת בתהודה. כתוצאה מכך, ניתן לראות במהירויות אלה ירידה בעוצמה הקרינה הנמדדת בגלאי, המתאפיינת בירידה מתאימה בספקטרום. מספר המקומות בהן קיימת ירידה כזו, המיקומים של הירידות והעוצמה שלהן (כלומר כמות הקרינה הנבלעת) מספקים מידע על הסביבה הכימית של הגרעינים במטרה וניתן להשתמש בהם כדי לאפיין את הדגימה.
בחירת מקור מתאים.
מקורות קרני גמא מתאימים מורכבים מגרעין רדיואקטיבי שמתפרק לאיזוטופ רצוי שלאחר מכן דועך לרמת היסוד הגרעיני באמצעות פליטת קרינת גמא. לדוגמה, המקור לספקטרוסקופייה באמצעות ברזל-57 הוא קובלט-57, שמתפרק על ידי לכידת אלקטרון למצב מעורר של ברזל-57, אשר בתורו דועך למצב היסוד באמצעות סדרה של פליטות קרני גמא הכוללות את זו בה חלק ניכר מהגרעינים פולטים קרינה ללא רתע ובה נעשה שימוש בספקטרוסקופיית מסבאואר. באופן אידיאלי לאיזוטופ הראשוני יהיה זמן מחצית חיים נוח, כלומר לא קצר מדי, שידעך באופן מהיר וידרוש תחלופה קבועה של המקור, ולא ארוך מדי שיספק שטף נמוך מדי של קרינת גמא. לדוגמה, זמן מחצית החיים של קובלט-57 הוא 270 ימים. כמו כן, אנרגיית קרני הגמא צריכה להיות נמוכה יחסית, אחרת רוב הפליטות בסריג יהיו עם רתיעה וכתוצאה מכך יחס אות לרעש בספקטרוסקופייה יהיה נמוך והספקטרוסקופיה תדרוש זמני איסוף ארוכים. שיקולים אלו גורמים לכך שברזל-57 הוא האלמנט הנפוץ ביותר המשמש בספקטרוסקופיה, אם כי נעשה שימוש באופן יחסית שכיח גם ביוד-129, בדיל-119 ואנטימון-121.
ניתוח ספקטרום של ספקטרופיית מסבאואר.
כפי שתואר לעיל, לספקטרוסקופיית מסבאואר יש רזולוציית אנרגיה עדינה ביותר והיא יכולה לזהות אפילו שינויים עדינים בסביבה הגרעינית של האטומים הרלוונטיים. בדרך כלל, ישנם שלושה סוגים של אינטראקציות המשפיעות על רמות האנרגיה הגרעיניות שנצפים: הסטה איזומרית, פיצול קוודרופול ופיצול מגנטי על-דק.
הסטה איזומרית.
הסטה איזומרית (δ) (נקראת לפעמים גם הסטה כימית, במיוחד בספרות הישנה יותר) היא מדד יחסי המתאר שינוי לא זהה בהפרשי האנרגיות הפנימיות של הגרעין (ולכן שינוי באנרגיית המעבר) (ראה איור 2) עקב ההשפעה של האלקטרונים באטום. האלקטרונים באורביטל s, יכולים בסיכוי מסוים לחפוף את הגרעין. החפיפה בין מיקומי האלקטרונים לגרעין משנה את רמות האנרגיה של הגרעין עצמו כתוצאה מהאינטראקציה החשמלית בין הגרעין לאלקטרונים. מאחר שהגרעין במצב המעורר הוא בעל נפח שונה מהגרעין במצב היסוד, השינוי באנרגיה של מצב היסוד לא זהה להשינוי באנרגיה של המצב המעורר, ולכן אנרגיית המעבר בין המצבים משתנה בהתאם לצפיפות האלקטרונים באורביטל s באזור הגרעין.
רק לאלקטרונים באורביטלים "s" יש הסתברות שאינה אפס להימצא בגרעין (ראה אורביטלים אטומיים). עם זאת, אלקטרונים באורביטלים "p", "d" ו- "f" משפיעים על צפיפות האלקטרונים באורביטל "s" באמצעות אפקט מיסוך.
את ההסטה האיזומרית ניתן לבטא באמצעות הנוסחה: formula_7
כאשר "K" הוא קבוע גרעיני (כלומר הערך של "K" זהה בכל מצב בו העשה שימוש בברזל-57, אך עבור איזוטופ אחר כדוגמת יוד-129 יהיה ערך שונה ל-"K"), formula_8 הוא הרדיוס האפקטיבי של הגרעין במצב המעורר ו-formula_9 הוא הרדיוס במצב היסוד. formula_10 הוא הסיכוי למצוא אלקטרון בקרבת הגרעין בסריג שפולט את הקרינה ו-formula_11 הוא הסיכוי למצוא אלקטרון כזה בסריג שקולט אותה.
כדי להבהיר את המשמעות הפיזיקלית של משוואה זו נראה שתי דוגמאות: