Внутреннее преобразование - Internal conversion

Ядерная физика
Ядро  · Нуклоны  (п, п ) · Ядерное дело  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · Ядерная реакция
Модели ядра Жидкая капля  · Модель ядерной оболочки  · Модель взаимодействующих бозонов  · Ab initio
Нуклиды классификация Изотопы - равный Z Изобары - равный А Изотоны - равный N Исодиаферы - равный N − Z      Изомеры - равно всем вышеперечисленным Зеркальные ядра  – Z ↔ N Стабильный  · Магия  · Даже странно  · Гало  (Борромео )
Ядерная стабильность Связующая энергия  · соотношение p – n  · Капельная линия  · Остров стабильности  · Долина стабильности
Радиоактивный распад Альфа α  · Бета β  (2β, β+ ) · К / л захват  · Изомерный  (Гамма γ  · Внутреннее преобразование ) · Самопроизвольное деление  · Распад кластера  · Эмиссия нейтронов  · Испускание протонов Энергия распада  · Цепочка распада  · Продукт распада  · Радиогенный нуклид
Ядерное деление Спонтанный  · Товары  (разрыв пары ) · Фотоделение
Процессы захвата электрон (2× ) · нейтрон  (s  · р ) · протон  (п  · rp )
Высокоэнергетические процессы Скалывание (космическим лучом ) · Фотодезинтеграция
Нуклеосинтез и ядерная астрофизика Термоядерная реакция Процессы: Звездный  · Большой взрыв  · Сверхновая звезда Нуклиды: Изначальный  · Космогенный  · Искусственный
Ядерная физика высоких энергий Кварк-глюонная плазма  · RHIC  · LHC
Ученые Альварес  · Беккерель  · Быть  · А. Бор  · Н. Бор  · Чедвик  · Кокрофт  · Ir. Кюри  · Пт. Кюри  · Число Пи. Кюри  · Склодовская-Кюри  · Дэвиссон  · Ферми  · Хан  · Дженсен  · Лоуренс  · Mayer  · Meitner  · Олифант  · Оппенгеймер  · Proca  · Перселл  · Раби  · Резерфорд  · Soddy  · Strassmann  · Ąwitecki  · Сцилард  · Кассир  · Томсон  · Уолтон  · Вигнер

Внутреннее преобразование это радиоактивный распад процесс, в котором возбужденный ядро взаимодействует электромагнитно с одним из орбитальные электроны атома. Это заставляет электрон испускаться (выбрасываться) из атома.^[1][2] Таким образом, в процессе внутреннего преобразования электрон высокой энергии испускается из радиоактивного атома, но не из ядра. По этой причине высокоскоростные электроны, возникающие в результате внутренней конверсии, не называются бета-частицы, поскольку последние происходят из бета-распад, где они вновь создаются в процессе ядерного распада.

Внутреннее преобразование возможно всякий раз, когда гамма-распад возможно, за исключением случая, когда атом полностью ионизированный. Во время внутреннего преобразования атомный номер не изменяется, и поэтому (как в случае с гамма-распадом) не происходит превращения одного элемента в другой.

Поскольку электрон теряется из атома, в электронной оболочке появляется дыра, которая впоследствии заполняется другими электронами, которые спускаются на этот пустой, более низкий энергетический уровень и в процессе испускают характеристический рентген (s), Оже-электрон (s), или оба. Таким образом, атом испускает электроны высокой энергии и рентгеновские фотоны, ни один из которых не возникает в этом ядре. Атом предоставил энергию, необходимую для выброса электрона, который, в свою очередь, вызвал последние события и другие выбросы.

Поскольку первичные электроны от внутреннего преобразования несут фиксированную (большую) часть характерной энергии распада, они имеют дискретный энергетический спектр, а не расширенный (непрерывный) спектр, характерный для бета-частицы. В то время как энергетический спектр бета-частиц изображен как широкий горб, энергетический спектр внутренне преобразованных электронов изображен как один острый пик (см. Пример ниже).

Механизм

В квантово-механической модели электрона существует ненулевая вероятность найти электрон внутри ядра. В процессе внутреннего преобразования волновая функция внутреннего оболочка электрона (обычно s электрон) проникает в объем атомное ядро. Когда это происходит, электрон может соединиться с возбужденным энергетическим состоянием ядра и получить энергию ядерного перехода напрямую, без промежуточных гамма-луч выпускается впервые. Кинетическая энергия вылетевшего электрона равна энергии перехода в ядре за вычетом энергия связи электрона к атому.

Большинство электронов внутреннего преобразования (IC) происходят из K ракушка (состояние 1), так как эти два электрона имеют наибольшую вероятность находиться в ядре. Однако s-состояния в оболочках L, M и N (т. Е. Состояния 2s, 3s и 4s) также могут взаимодействовать с ядерными полями и вызывать выброс электронов IC из этих оболочек (называемых L или M или N внутреннее преобразование). Были подготовлены отношения вероятностей внутренней конверсии K-оболочки к другим L, M или N оболочкам для различных нуклидов.^[3]

Количество энергии, превышающее атомную энергия связи s-электрон должен быть доставлен этому электрону, чтобы вытолкнуть его из атома, что приведет к IC; иными словами, внутреннее преобразование не может произойти, если энергия распада ядра меньше определенного порога. Есть несколько радионуклидов, в которых энергии распада недостаточно для преобразования (выброса) электрона 1s (K-оболочка), и эти нуклиды, распадаясь за счет внутреннего преобразования, должны распадаться, выбрасывая электроны из L-, M- или N-оболочек ( т. е. путем выброса 2s, 3 или 4s электронов), поскольку эти энергии связи ниже.

Хотя s-электроны более вероятны для процессов IC из-за их лучшего проникновения в ядро ​​по сравнению с электронами с орбитальным угловым моментом, спектральные исследования показывают, что p-электроны (из оболочек L и выше) иногда выбрасываются в процессе IC.

После того, как электрон IC был испущен, у атома остается вакансия в одной из его электронных оболочек, обычно во внутренней. Это отверстие будет заполнено электроном из одной из более высоких оболочек, что заставит другой внешний электрон, в свою очередь, заполнить его место, вызывая каскад. Следовательно, один или несколько характеристические рентгеновские лучи или же Оже-электроны будет испускаться по мере того, как оставшиеся электроны в атоме каскадом спускаются, чтобы заполнить вакансии.

Пример: распад ²⁰³Hg

Схема распада ²⁰³Hg

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

В схема распада слева показывает, что ²⁰³Hg производит непрерывное бета-спектр с максимальной энергией 214 кэВ, что приводит к возбужденному состоянию дочернего ядра ²⁰³Tl. Это состояние очень быстро распадается (в пределах 2,8 × 10⁻¹⁰ у) в основное состояние ²⁰³Tl, излучающий гамма-квант 279 кэВ.

На рисунке справа показан электронный спектр ²⁰³Hg, измеренная с помощью магнитного спектрометр. Он включает непрерывный бета-спектр и K-, L- и M-линии из-за внутреннего преобразования. Поскольку энергия связи K-электронов в ²⁰³Tl составляет 85 кэВ, линия K имеет энергию 279 - 85 = 194 кэВ. Из-за меньшей энергии связи L- и M-линии имеют более высокие энергии. Из-за конечного энергетического разрешения спектрометра «линии» имеют Гауссовский форма конечной ширины.

Когда ожидается процесс

Внутреннее преобразование (часто сокращенно IC) предпочтительнее, когда энергия, доступная для гамма-перехода, мала, и это также является основным режимом снятия возбуждения для 0⁺→0⁺ (т.е. E0) переходы. 0⁺→0⁺ переходы происходят там, где возбужденное ядро ​​имеет нулевой спин и положительный паритет, и распадается до основного состояния, которое также имеет нулевой спин и положительную четность (например, все нуклиды с четным числом протонов и нейтронов). В таких случаях девозбуждение не может происходить посредством излучения гамма-излучения, поскольку это нарушило бы сохранение углового момента, поэтому преобладают другие механизмы, такие как IC. Это также показывает, что внутреннее преобразование (вопреки его названию) не является двухэтапным процессом, при котором гамма-луч сначала испускается, а затем преобразуется.

Коэффициент внутреннего преобразования для переходов E1 для Z = 40, 60 и 80 согласно таблицам Sliv и Band в зависимости от энергии перехода.

Конкуренция между внутренним преобразованием и гамма-распадом количественно выражается в виде внутренний коэффициент преобразования который определяется как ${ Displaystyle альфа = е / { гамма}}$ куда ${ displaystyle e}$ скорость конверсии электронов и ${ displaystyle gamma}$ - скорость гамма-излучения, наблюдаемого распадающимся ядром. Например, при распаде возбужденного состояния при 35 кэВ ¹²⁵Те (который образуется при распаде ¹²⁵я ), 7% распадов излучают энергию в виде гамма-лучей, а 93% выделяют энергию в виде конверсионных электронов. Следовательно, это возбужденное состояние ¹²⁵
Te имеет внутренний коэффициент преобразования ${ Displaystyle альфа = 93/7 = 13,3}$.

Для увеличения атомный номер (Z) и при уменьшении энергии гамма-излучения наблюдается увеличение внутренних коэффициентов преобразования. В качестве примера на рисунке показаны рассчитанные коэффициенты IC для электродипольных (E1) переходов для Z = 40, 60 и 80.^[4]

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

Подобные процессы

Ядра с нулевым спином и высокими энергиями возбуждения (более примерно 1,022 МэВ) также не могут избавиться от энергии с помощью (однократного) гамма-излучения из-за ограничения, налагаемого сохранением импульса, но они обладают достаточной энергией распада для распада. к парное производство.^[5] В этом типе распада электрон и позитрон испускаются из атома одновременно, и вопрос сохранения углового момента решается за счет того, что эти две частицы продукта вращаются в противоположных направлениях.

Не следует путать внутренний процесс преобразования с аналогичным фотоэлектрический эффект. Когда гамма-луч испускаемый ядром атома попадает в другой атом, он может быть поглощен с образованием фотоэлектрона с четко определенной энергией (это раньше называлось «внешним преобразованием»). Однако при внутреннем преобразовании процесс происходит в пределах одного атома и без реального промежуточного гамма-излучения.

Подобно тому, как атом может производить электрон внутреннего преобразования вместо гамма-луча, если энергия доступна изнутри ядра, так и атом может производить Оже-электрон вместо рентгеновский снимок если электрон отсутствует на одной из низколежащих электронных оболочек. (Первый процесс может даже вызвать второй.) Подобно IC-электронам, оже-электроны имеют дискретную энергию, что приводит к резкому пику энергии в спектре.

В захват электронов В процессе также участвует электрон внутренней оболочки, который в этом случае остается в ядре (изменяя атомный номер) и оставляет атом (не ядро) в возбужденном состоянии. Атом, лишенный внутреннего электрона, может релаксировать каскадом рентгеновский снимок эмиссия, когда электроны с более высокой энергией в атоме падают, чтобы заполнить вакансию, оставленную захваченным электроном в электронном облаке. Такие атомы также обычно демонстрируют эмиссию электронов Оже. Захват электронов, как и бета-распад, также обычно приводит к возбужденным атомным ядрам, которые затем могут релаксировать до состояния с наименьшей ядерной энергией любым из методов, разрешенных спиновыми ограничениями, включая гамма-распад и распад внутренней конверсии.

Смотрите также

• Коэффициент внутренней конверсии

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Крейн, Кеннет С. (1988). Введение в ядерную физику. J. Wiley & Sons. ISBN  0-471-80553-X.
• L'Annunziata, Майкл Ф .; и другие. (2003). Справочник по радиоактивному анализу. Академическая пресса. ISBN  0-12-436603-1.
• Р. В. Хауэлл, Спектры излучения радионуклидов, излучающих оже-электроны: Отчет № 2 Целевой группы № 6 AAPM по ядерной медицине, 1992 г., Медицинская физика 19(6), 1371–1383

внешняя ссылка

• Гиперфизика