Внутреннее преобразование

Ядерная физика
Ядро Нуклоны п н Ядерная материя Ядерная сила Структура ядра Ядерная реакция
Модели ядра Капля жидкости Модель ядерной оболочки Модель взаимодействующих бозонов Ab initio
Классификация нуклидов Изотопы – равные Z Изобары – равные А Изотоны – равные N Изодиаферы – равные N  −  Z Изомеры – эквивалентны всем вышеперечисленным Зеркальные ядра  – Z ↔ N Стабильный Магия Чётный/нечётный Гало Борромео
Ядерная стабильность Энергия связи отношение p–n Капельная линия Остров стабильности Долина стабильности Стабильный нуклид
Радиоактивный распад Альфа α Бета β 2β 0в β + захват К/Л Изомерный Гамма γ Внутреннее преобразование Спонтанное деление Распад кластера Нейтронное излучение Эмиссия протонов Энергия распада Распад цепи Продукт распада Радиогенный нуклид
Ядерное деление Спонтанный Продукция разрыв пары Фотоделение
Процессы захвата электрон 2× нейтрон с г протон п рп
Высокоэнергетические процессы Раскол космическими лучами Фотораспад
Нуклеосинтез и ядерная астрофизика Ядерный синтез Процессы: Звездный Большой взрыв Сверхновая Нуклиды: Изначальный Космогенный Artificial
High-energy nuclear physics Quark–gluon plasma RHIC LHC
Scientists Alvarez Becquerel Bethe A. Bohr N. Bohr Chadwick Cockcroft Ir. Curie Fr. Curie Pi. Curie Skłodowska-Curie Davisson Fermi Hahn Jensen Lawrence Mayer Meitner Oliphant Oppenheimer Proca Purcell Rabi Rutherford Soddy Strassmann Świątecki Szilárd Teller Thomson Walton Wigner
Physics portal  Category
v t e

Внутренняя конверсия — это процесс атомного распада, при котором возбужденное ядро ​​взаимодействует электромагнитно с одним из орбитальных электронов атома. Это приводит к испусканию (выбрасыванию) электрона из атома. ^{[1] [2]} Таким образом, при внутренней конверсии (часто сокращенно IC) высокоэнергетический электрон испускается из возбужденного атома, но не из ядра. По этой причине высокоскоростные электроны, возникающие 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 всякий раз, когда возможен гамма-распад , за исключением случая, когда атом полностью ионизирован . В IC атомный номер не меняется, и, таким образом, нет трансмутации одного элемента в другой. Кроме того, нейтрино и слабое взаимодействие не участвуют в IC.

Так как атом теряет электрон, в электронной ауре появляется дыра, которая впоследствии заполняется другими электронами, которые спускаются на пустой, но более низкий энергетический уровень, и в процессе испускают характеристические рентгеновские лучи , оже-электроны 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 разбросанный (непрерывный) спектр, характерный для бета-частиц . В то время как энергетический спектр бета-частиц отображается в виде широкого горба, энергетический спектр внутренне преобразованных электронов отображается в виде одного острого пика (см. пример ниже).

В квантовой модели электрона существует ненулевая вероятность нахождения электрона внутри ядра. При внутреннем преобразовании волновая функция электрона внутренней оболочки (обычно s- электрона) проникает в ядро. Когда это происходит, электрон может соединиться с возбужденным энергетическим состоянием ядра и напрямую взять энергию ядерного перехода, без предварительного создания промежуточного гамма-излучения . Кинетическая энергия испущенного электрона равна энергии перехода в ядре за вычетом энергии связи электрона с атомом.

Большинство электронов IC поступают из оболочки K (состояние 1s), поскольку эти два электрона имеют наибольшую вероятность нахождения внутри ядра. Однако состояния s в оболочках L, M и N (т. е. состояния 2s, 3s и 4s) также способны связываться с ядерными полями и вызывать выбросы электронов IC из этих оболочек (называемые внутренней конверсией L, M или N). Были подготовлены соотношения вероятностей внутренней конверсии K-оболочки к другим оболочкам L, M или N для различных нуклидов. ^[3]

Для того чтобы вырвать s-электрон из атома и вызвать ИК, к нему необходимо подвести энергию, превышающую энергию связи атома ; то есть внутренняя конверсия не может произойти, если энергия распада ядра меньше определенного порога.

Хотя s-электроны более вероятны для IC из-за их лучшей ядерной проникающей способности 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, в которых энергия распада недостаточна для преобразования (выброса) электрона 1s (оболочка K), и эти нуклиды, чтобы распасться путем внутренней конверсии, должны распадаться путем выбрасывания электронов из оболочек L, M или N (т. е. путем выбрасывания 2s, 3s или 4s электронов), поскольку эти энергии связи ниже.

После испускания электрона IC атом остается с вакансией в одной из своих электронных оболочек, обычно внутренней. Эта дырка будет заполнена электроном из одной из более высоких оболочек, что заставляет другой внешний электрон занять его место, вызывая каскад. Следовательно, один или несколько характеристических рентгеновских лучей или электронов Оже будут испущены, когда оставшиеся электроны в атоме каскадно падают вниз, чтобы заполнить вакансии.

Схема распада слева показывает, что ²⁰³ Hg производит непрерывный бета-спектр с максимальной энергией 214 кэВ, что приводит к возбужденному состоянию дочернего ядра ²⁰³ Tl. Это состояние распадается очень быстро (в течение 2,8×10−10 ^с  ) до основного состояния ²⁰³ Tl, испуская гамма-квант 279 кэВ.

На рисунке справа показан электронный спектр ²⁰³ Hg, измеренный с помощью магнитного спектрометра . Он включает в себя непрерывный бета-спектр и K-, L- и M-линии, обусловленные внутренней конверсией. Поскольку энергия связи K-электронов в ²⁰³ Tl составляет 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.

Внутренняя конверсия предпочтительна, когда энергия, доступная для гамма-перехода, мала, и это также основной режим девозбуждения для переходов 0 ⁺ →0 ⁺ (т.е. E0). Переходы 0 ⁺ →0 ⁺ происходят, когда 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 девозбуждение не может происходить путем испускания гамма-излучения, поскольку это нарушило бы закон сохранения углового момента, поэтому преобладают другие механизмы, такие как IC. Это также показывает, что внутренняя конверсия (вопреки своему названию) не является двухступенчатым процессом, при котором гамма-излучение сначала испускается, а затем преобразуется.

Конкуренция между IC и гамма-распадом количественно определяется в форме внутреннего коэффициента конверсии , который определяется как где - скорость конверсионных электронов, а - скорость гамма-излучения, наблюдаемого из распадающегося ядра. Например, при распаде возбужденного состояния при 35 кэВ ¹²⁵ Te (которое образуется при распаде ¹²⁵ I ), 7% распадов испускают энергию в виде гамма-излучения, в то время как 93% выделяют энергию в виде конверсионных электронов. Следовательно, это возбужденное состояние${\displaystyle \alpha =e/{\gamma }}$${\displaystyle e}$${\displaystyle \gamma }$¹²⁵
Те имеет коэффициент IC .${\displaystyle \alpha =93/7=13.3}$

При увеличении атомного номера (Z) и уменьшении энергии гамма-излучения коэффициенты IC увеличиваются. Например, рассчитанные коэффициенты IC для электрических дипольных (E1) переходов для Z = 40, 60 и 80 показаны на рисунке. ^[4]

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

Ядра с нулевым спином и высокой энергией возбуждения (более 1,022 МэВ) также не могут избавиться от энергии посредством (однократного) гамма-излучения из-за ограничения, налагаемого законом сохранения импульса, но у них достаточно энергии распада, чтобы распасться путем образования пар . ^[5] При этом типе распада электрон и позитрон одновременно испускаются из атома, а сохранение углового момента решается за счет того, что эти две частицы-продукты вращаются в противоположных направлениях.

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

Так же, как атом может производить электрон IC вместо гамма-излучения, если энергия доступна внутри ядра, так и атом может производить электрон Оже вместо рентгеновского излучения , если электрон отсутствует в одной из низколежащих электронных оболочек. (Первый процесс может даже привести к образованию второго.) Как и электроны IC, электроны Оже имеют дискретную энергию, что приводит к резкому пику энергии в спектре.

Захват электрона также включает в себя электрон внутренней оболочки, который в этом случае удерживается в ядре (изменяя атомный номер) и оставляя атом (не ядро) в возбужденном состоянии. Атом, у которого отсутствует внутренний электрон, может релаксировать с помощью каскада рентгеновских излучений, поскольку электроны с более высокой энергией в атоме падают, чтобы заполнить вакансию, оставленную в электронном облаке захваченным электроном. Такие атомы также обычно демонстрируют эмиссию электронов Оже. Захват электрона, как и бета-распад, также обычно приводит к возбужденным атомным ядрам, которые затем могут релаксировать в состояние с самой низкой ядерной энергией любым из методов, разрешенных спиновыми ограничениями, включая гамма-распад и распад внутренней конверсии.

• Внутренний коэффициент преобразования

• Крейн, Кеннет С. (1988). Введение в ядерную физику . J. Wiley & Sons. ISBN 0-471-80553-X.
• Бертулани, Карлос А. (2007). Ядерная физика в двух словах . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-12505-3.
• L'Annunziata, Michael F.; et al. (2003). Справочник по анализу радиоактивности . Academic Press. ISBN 0-12-436603-1.
• RWHowell, Спектры излучения для радионуклидов, испускающих электроны Оже: Отчет № 2 Рабочей группы AAPM по ядерной медицине № 6, 1992, Медицинская физика 19(6), 1371–1383

• Гиперфизика