Внутреннее преобразование

Эта статья об атомном ядерном процессе. Чтобы узнать о химическом процессе, см. Внутреннее преобразование (химия) .

Внутренняя конверсия — это процесс распада атома, при котором возбужденное ядро взаимодействует ​​электромагнитно с одним из орбитальных электронов атома. Это приводит к тому, что электрон вылетает (выбрасывается) из атома. Таким образом, при внутренней конверсии (часто обозначаемой сокращенно IC) электрон высокой энергии испускается из возбужденного атома, а не из ядра. По этой причине высокоскоростные электроны, образующиеся в результате внутренней конверсии, не называются бета-частицами , поскольку последние возникают в результате бета-распада , где они вновь создаются в процессе ядерного распада.

IC возможен везде, где возможен гамма-распад , за исключением случаев, когда атом полностью ионизирован . В IC атомный номер не меняется, поэтому не происходит превращения одного элемента в другой. Кроме того, в IC не участвуют нейтрино и слабое взаимодействие.

Поскольку электрон теряется из атома, в электронной ауре появляется дырка, которая впоследствии заполняется другими электронами, которые опускаются на пустой, но более низкий энергетический уровень и при этом излучают характерное рентгеновское(е) излучение (ы), оже-электрон ( с) или и то, и другое. Таким образом, атом испускает высокоэнергетические электроны и рентгеновские фотоны, ни один из которых не возникает в этом ядре. Атом поставляет энергию, необходимую для выброса электрона, что, в свою очередь, вызывает последние события и другие выбросы.

Поскольку первичные электроны из IC несут фиксированную (большую) часть характерной энергии распада, они имеют дискретный энергетический спектр, а не рассеянный (непрерывный) спектр, характерный для бета-частиц . В то время как энергетический спектр бета-частиц представляет собой широкий горб, энергетический спектр внутренне преобразованных электронов представляет собой один острый пик (см. пример ниже).

Механизм

В квантовой модели электрона существует ненулевая вероятность найти электрон внутри ядра. При внутренней конверсии волновая функция электрона внутренней оболочки (обычно s- электрона) проникает в ядро. Когда это происходит, электрон может соединиться с возбужденным энергетическим состоянием ядра и напрямую принять энергию ядерного перехода, без промежуточного гамма-излучения предварительного образования . Кинетическая энергия вылетевшего электрона равна энергии перехода в ядре минус энергия связи электрона с атомом.

Большинство электронов IC происходят из оболочки K (состояние 1s), поскольку эти два электрона имеют наибольшую вероятность находиться внутри ядра. Однако s-состояния в оболочках L, M и N (т. е. состояния 2s, 3s и 4s) также способны соединяться с ядерными полями и вызывать выбросы IC-электронов из этих оболочек (так называемые L, M или N). внутренняя конверсия). Были получены отношения вероятностей внутренней конверсии K-оболочки к другим вероятностям внутренней конверсии L, M или N для различных нуклидов.

Количество энергии, превышающее атомную энергию связи s-электрона, должно быть передано этому электрону, чтобы выбросить его из атома и привести к IC; иными словами, внутреннее преобразование не может произойти, если энергия распада ядра меньше определенного порога.

Хотя s-электроны более вероятны для IC из-за их превосходного проникновения в ядро ​​по сравнению с электронами с большим орбитальным угловым моментом, спектральные исследования показывают, что p-электроны (из оболочек L и выше) иногда выбрасываются в процессе IC. Существует также несколько радионуклидов, у которых энергия распада недостаточна для преобразования (выброса) электрона 1s (K-оболочки), и эти нуклиды для распада путем внутренней конверсии должны распадаться путем вылета электронов из L-, M- или N-оболочек. (т. е. путем выброса 2s, 3s или 4s электронов), поскольку эти энергии связи ниже.

После испускания электрона IC в атоме остается вакансия в одной из его электронных оболочек, обычно внутренней. Эта дырка будет заполнена электроном из одной из высших оболочек, что заставит другой внешний электрон, в свою очередь, занять его место, вызывая каскад. Следовательно, одно или несколько характеристических рентгеновских лучей или оже-электронов будут излучаться, поскольку оставшиеся электроны в атоме каскадом спускаются вниз, заполняя вакансии.

Пример: распад ²⁰³ ртуть

Схема распада ²⁰³ ртуть

Электронный спектр ²⁰³ Hg, по данным Wapstra et al., Physica 20 (1954) 169.

Схема распада слева показывает, что ²⁰³ Hg создает непрерывный бета-спектр с максимальной энергией 214 кэВ, что приводит к возбужденному состоянию дочернего ядра. ²⁰³ Тл. Это состояние затухает очень быстро (в пределах 2,8×10 ⁻¹⁰ s) в основное состояние ²⁰³ Tl, излучающий гамма-квант с энергией 279 кэВ.

На рисунке справа показан электронный спектр ²⁰³ Hg, измеренная с помощью магнитного спектрометра . Он включает непрерывный бета-спектр и K-, L- и М-линии вследствие внутренней конверсии. Поскольку энергия связи K-электронов в ²⁰³ Tl равна 85 кэВ, линия K имеет энергию 279 − 85 = 194 кэВ. Из-за меньших энергий связи L- и M-линии имеют более высокие энергии. Из-за конечного энергетического разрешения спектрометра «линии» имеют гауссову форму конечной ширины.

Когда ожидается процесс

Внутреннее преобразование предпочтительнее, когда энергия, доступная для гамма-перехода, мала, а также это основной способ снятия возбуждения для 0. ⁺ →0 ⁺ (т.е. E0) переходы. 0 ⁺ →0 ⁺ Переходы происходят там, где возбужденное ядро ​​имеет нулевой спин и положительную четность и распадается в основное состояние, которое также имеет нулевой спин и положительную четность (например, все нуклиды с четным числом протонов и нейтронов). В таких случаях снятие возбуждения не может произойти за счет испускания гамма-лучей, поскольку это нарушит сохранение углового момента, поэтому преобладают другие механизмы, такие как IC. Это также показывает, что внутреннее преобразование (вопреки его названию) не представляет собой двухэтапный процесс, при котором гамма-лучи сначала испускаются, а затем преобразуются.

Коэффициент внутреннего преобразования для переходов E1 для Z = 40, 60 и 80 по таблицам Слива и Бэнда в зависимости от энергии перехода.

Конкуренция между IC и гамма-распадом выражается количественно в форме коэффициента внутренней конверсии , который определяется как $\alpha =e/{\gamma }$ где $e$ - скорость конверсии электронов и $\gamma$ — скорость гамма-излучения, наблюдаемая из распадающегося ядра. Например, при распаде возбужденного состояния при энергии 35 кэВ ¹²⁵ Te (который образуется в результате распада ¹²⁵ I ), 7% распадов излучают энергию в виде гамма-лучей, а 93% выделяют энергию в виде конверсионных электронов. Поэтому это возбужденное состояние ¹²⁵
Te имеет коэффициент IC $\alpha =93/7=13.3$.

С увеличением атомного номера (Z) и уменьшением энергии гамма-лучей коэффициенты IC увеличиваются. Например, на рисунке показаны расчетные коэффициенты IC для электродипольных (E1) переходов для Z = 40, 60 и 80.

Энергия испускаемого гамма-излучения является точной мерой разницы энергий возбужденных состояний распадающегося ядра. В случае конверсионных электронов необходимо также учитывать энергию связи: Энергия конверсионного электрона определяется как $E=(E_{i}-E_{f})-E_{B}$, где $E_{i}$ и $E_{f}$ – энергии ядра в его начальном и конечном состояниях соответственно, а $E_{B}$ – энергия связи электрона.

Похожие процессы

Ядра с нулевым спином и высокой энергией возбуждения (более примерно 1,022 МэВ) также не могут избавиться от энергии за счет (одиночного) гамма-излучения из-за ограничения, налагаемого сохранением импульса, но у них достаточно энергии распада, чтобы распасться на парное производство . При этом типе распада электрон и позитрон испускаются из атома одновременно, а вопрос сохранения углового момента решается за счет вращения этих двух частиц-продуктов в противоположных направлениях.

IC не следует путать с аналогичным фотоэлектрическим эффектом . Когда гамма-луч , испускаемый ядром атома, попадает в другой атом, он может быть поглощен, образуя фотоэлектрон с четко определенной энергией (раньше это называлось «внешней конверсией»). Однако в IC процесс происходит внутри одного атома и без реального промежуточного гамма-излучения.

Точно так же, как атом может производить IC-электрон вместо гамма-излучения, если энергия доступна изнутри ядра, так и атом может производить оже-электрон вместо рентгеновского излучения , если электрон отсутствует в одном из низколежащих электронов. ракушки. (Первый процесс может даже вызвать второй.) Как и IC-электроны, оже-электроны имеют дискретную энергию, что приводит к резкому энергетическому пику в спектре.

В захвате электрона также участвует электрон внутренней оболочки, который в этом случае удерживается в ядре (меняя атомный номер) и оставляя атом (не ядро) в возбужденном состоянии. Атом, у которого отсутствует внутренний электрон, может расслабиться за счет каскада рентгеновского излучения, когда электроны с более высокой энергией в атоме падают, чтобы заполнить вакансию, оставленную в электронном облаке захваченным электроном. Такие атомы также обычно демонстрируют эмиссию оже-электронов. Захват электрона, как и бета-распад, также обычно приводит к возбуждению атомных ядер, которые затем могут релаксировать до состояния с наименьшей ядерной энергией любым из методов, разрешенных спиновыми ограничениями, включая гамма-распад и затухание внутренней конверсии.

См. также

• Внутренний коэффициент преобразования

Дальнейшее чтение

• Крейн, Кеннет С. (1988). Введение в ядерную физику . Дж. Уайли и сыновья. ISBN  0-471-80553-Х .
• Бертулани, Карлос А. (2007). Коротко о ядерной физике . Издательство Принстонского университета. ISBN  978-0-691-12505-3 .
• Л'Аннунциата, Майкл Ф.; и др. (2003). Справочник по анализу радиоактивности . Академическая пресса. ISBN  0-12-436603-1 .
• Р.В.Хауэлл, Спектры излучения радионуклидов, испускающих оже-электроны: отчет № 2 рабочей группы по ядерной медицине AAPM № 6, 1992, Medical Physics 19 (6), 1371–1383.

Внешние ссылки

• Гиперфизика