Внутренняя конверсия - Internal conversion
| Ядерная физика |
|---|
 |
| Ядро · Нуклоны ( p , n ) · Ядерная материя · Ядерная сила · Ядерная структура · Ядерная реакция |
Внутреннее преобразование - это нерадиоактивный процесс распада, при котором возбужденное ядро электромагнитно взаимодействует с одним из орбитальных электронов атома. Это заставляет электрон испускаться (выбрасываться) из атома. 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 внутреннего преобразования, не называются бета-частицами , поскольку последние возникают в результате бета-распада , где они вновь создаются в процессе ядерного распада.
Внутреннее преобразование возможно всякий раз, когда возможен гамма-распад , за исключением случая, когда атом полностью ионизирован . Во время внутреннего преобразования атомный номер не изменяется, и, таким образом (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 характерные рентгеновские лучи (ы), электрон Оже (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-частиц . В то время как энергетический спектр бета-частиц изображен в виде широкого горба, энергетический спектр внутренне преобразованных электронов изображен в виде одного острого пика (см. Пример ниже).
Механизм
В квантово-механической модели электрона существует ненулевая вероятность найти электрон в ядре. Говорят, что во время процесса внутреннего преобразования волновая функция электрона внутренней оболочки (обычно s- электрона) проникает в объем атомного ядра . Когда это происходит, электрон может соединиться с возбужденным энергетическим состоянием ядра и получить энергию ядерного перехода напрямую, без предварительного образования промежуточного гамма-излучения . Кинетическая энергия испускаемого электрона равна энергии перехода в ядре за вычетом энергии связи электрона с атомом.
Большинство электронов внутренней конверсии (IC) приходят из K- оболочки (состояние 1s), так как 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 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.
Количество энергии, превышающее энергию связи атома s-электрона, должно быть передано этому электрону, чтобы вытолкнуть его из атома и вызвать 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-оболочки), и эти нуклиды, чтобы распадаться за счет внутреннего преобразования, должны распадаться, выбрасывая электроны из L-, M- или N-оболочек ( т.е. путем выброса 2s, 3s 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 испускается, 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, одно или несколько характеристических рентгеновских лучей или оже-электронов будут испускаться, когда оставшиеся электроны в атоме будут каскадно спускаться вниз, чтобы заполнить вакансии.
Пример: распад 203 Hg
Схема распада слева показывает, что 203 Hg дает непрерывный бета-спектр с максимальной энергией 214 кэВ, что приводит к возбужденному состоянию дочернего ядра 203 Tl. Это состояние очень быстро распадается (в пределах 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 непрерывный бета-спектр и K-, L- и M-линии из-за внутреннего преобразования. Поскольку энергия связи K-электронов в 203 Tl составляет 85 кэВ, K-линия 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 гауссову форму конечной ширины.
Когда ожидается процесс
Внутреннее преобразование (часто сокращенно IC) предпочтительнее, когда энергия, доступная для гамма-перехода, мала, и это также основной режим снятия возбуждения для переходов 0 + → 0 + (то есть E0). Переходы 0 + → 0 + происходят там, где возбужденное ядро имеет нулевой спин и положительную четность 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 испускания гамма-излучения, поскольку это нарушило бы сохранение углового момента, следовательно, преобладают другие механизмы, такие как IC. Это также показывает, что внутреннее преобразование (вопреки его названию) не является двухэтапным процессом, когда гамма-луч сначала испускается, а затем преобразуется.
Конкуренция между внутренней конверсией и гамма-распадом количественно выражается в виде коэффициента внутренней конверсии, который определяется как где - скорость конверсии электронов, а - скорость испускания гамма-излучения, наблюдаемого распадающимся ядром. Например, при распаде возбужденного состояния при 35 кэВ 125 Те (которое создается распадом 125 I ) 7% распадов излучают энергию в виде гамма-лучей, а 93% выделяют энергию в виде конверсионных электронов. Следовательно, это возбужденное состояние 125
Те имеет внутренний коэффициент преобразования .
При увеличении атомного номера (Z) и 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.
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 задается как , где и - энергии ядра в его начальном и конечном состояниях, соответственно, а - энергия связи электрон.
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. по производству пара . При 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 фотоэлектрическим эффектом . Когда гамма-луч, излучаемый 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-лучей, если энергия доступна изнутри ядра, так и атом может производить оже-электрон вместо рентгеновского излучения, если электрон отсутствует в одном из нижних - летучие электронные оболочки. (Первый процесс может даже вызвать второй.) Подобно IC-электронам, оже-электроны имеют дискретную энергию, что приводит к резкому пику энергии в спектре.
В процессе захвата электрона также участвует электрон внутренней оболочки, который в этом случае остается в ядре (изменяя атомный номер) и оставляет атом (не ядро) в возбужденном состоянии. Атом, у которого отсутствует внутренний электрон, может релаксировать за счет каскада рентгеновского излучения, 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
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.У.Хауэлл, Спектры излучения радионуклидов, излучающих электроны Оже: Отчет № 2 Целевой группы № 6 AAPM по ядерной медицине, 1992 г., Medical Physics 19 (6), 1371–1383