Laboratoire de Chimie de Coordination UPR 8241


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Usage et principe

La spectrométrie Mössbauer est une spectroscopie de résonnance nucléaire. Elle est non destructive. Elle permet d’étudier les états de valence des atomes, leurs liaisons chimiques ainsi que leur coordination.


○ A quoi sert-elle ?


Au LCC, la spectrométrie Mössbauer permet de caractériser l’état du fer dans des matériaux très divers tels que les oxydes de fer, les couches minces, les nanoparticules, les complexes de fer. C’est une technique très sensible, dotée d’une une excellente résolution. Elle constitue une technique nécessaire en complément de celles de la diffraction des rayons X, de la microscopie et des mesures magnétiques.
Elle est utilisée principalement en physique et chimie des solides (détermination et quantification de site FeII/feIII, transition de spin, transitions cristallines, transitions magnétiques, phénomènes de relaxation électronique et superparamagnétique), la métallurgie (identification de phases, défauts, phénomène de corrosion), la catalyse, la minéralogie, géologie, biophysique, archéologie, etc. De plus l’absorption résonnante rend compte quantitativement de la variété des sites cristallographiques occupés par l’atome Fer, voire de différentes phases cristallines présentes.

Rappel historique


○ Principe de fonctionnement


Le principe de fonctionnement d’un spectromètre Mössbauer est illustré fig.1. L’énergie de photons γ issues de la désintégration radioactive d’une source de 57Co est modulée par effet Doppler en faisant vibrer la source de façon à couvrir une gamme d’énergie dans laquelle les échantillons de 57Fe absorbent. Le spectre résultant sera caractéristique de l’environnement du noyau de fer.

Fig.1 Dispositif expérimental



Le noyau est soumis à des champs électriques et magnétiques créés par son environnement conduisant à des perturbations des niveaux d’énergie nucléaire appelées interactions hyperfines (fig.2).

Fig.2 Déplacement des niveaux nucléaires sous l’action des interactions hyperfines dans le cas d’une transition entre des états de spins 3/2 et 1/2 : effets sur le spectre Mössbauer.



Ces interactions hyperfines, de l’ordre de 10-7 à 10-8 eV sont observables par spectrométrie Mössbauer et quantifiables au travers des paramètres Mössbauer hyperfins suivants :
Le déplacement isomérique ou déplacement chimique (δ en mm/s) qui reflète l’état d’oxydation du fer, son état de spin nucléaire, sa coordinence, sa liaison chimique et la nature des ligands environnants. Pour le fer, les domaines correspondants aux différents états d’oxydation sont résumés dans la fig3.
L’éclatement quadripolaire (ΔΕQ en mm/s) qui témoigne de l’asymétrie de toutes les charges environnantes, est directement proportionnel au gradient de champ électrique provoqué par l’agitation thermique des électrons d sur le noyau de l’atome de fer. Il donne des informations sur la nature des différents niveaux électroniques de l’atome, sur la population des différentes orbitales, sur la structure des ligands et la structure des défauts du solide.

Le champ magnétique interne (ΔΕM en Tesla) qui résulte de l’induction magnétique B est créé au noyau par son environnement électronique. Cette induction magnétique hyperfine au noyau provient des spins non appariés de l’atome et dépend donc de l’état d’oxydation et de l’état de spin de l’atome. Cette interaction est observée dans des systèmes magnétiquement ordonnées.

Fig.3 domaines de déplacements isomériques en fonction de l’état d’oxydation du Fer.