Внутреннее преобразование

Ядерная физика
Ядро  · Нуклоны  ( p , n )  · Ядерное вещество  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · Ядерная реакция
Модели ядра Жидкая капля  · Модель ядерной оболочки  · Модель взаимодействующих бозонов  · Ab initio
Классификация нуклидов Изотопы - равны Z Изобары - равны A Изотоны - равны N Изодиафер - равны N  -  Z       Изомеры - равны всем вышеперечисленным зеркальным ядрам  - Z ↔ N Стабильный  · Магия  · Четный / нечетный  · Гало  ( Борромео )
Ядерная стабильность Энергия связи  · Соотношение p – n  · Капельная линия  · Остров стабильности  · Долина стабильности  · Стабильный нуклид
Радиоактивный распад Альфа α  · Бета β  ( 2β , β + )  · Захват K / L  · Изомерный  ( Гамма γ  · Внутреннее преобразование )  · Спонтанное деление  · Распад кластера  · Эмиссия нейтронов  · Эмиссия протонов Распад энергия  · Распад цепь  · Распад продукт  · Радиогенная нуклид
Ядерное деление Спонтанное  · Продукты  ( разрушение пар )  · Фотоделение
Процессы захвата электрон ( 2 × )  · нейтрон  ( s  · r )  · протон  ( p  · rp )
Высокоэнергетические процессы Расщепление ( космическими лучами )  · Фотодезинтеграция
Нуклеосинтез и ядерная астрофизика Процессы ядерного синтеза : звездные  · Большой взрыв  · Нуклиды сверхновых : изначальные  · космогенные  · искусственные
Ядерная физика высоких энергий Кварк-глюонная плазма  · RHIC  · LHC
Ученые Альварес  · Беккерель  · Бете  · А. Бор  · Н. Бор  · Чедвик  · Кокрофт  · Ир. Кюри  · о. Кюри  · Пи. Кюри  · Склодовская-Кюри  · Дэвиссон  · Ферми  · Хан  · Йенсен  · Лоуренс  · Майер  · Мейтнер  · Олифант  · Оппенгеймер  · Прока  · Перселл  · Раби  · Резерфорд  · Содди · Штрассманн  · Свинтецкий  · Сцилард  · Теллер  · Томсон  · Уолтон  · Вигнер
v т е

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. ^{[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 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 меняется, 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 излучают 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 характеристической энергии распада, они имеют дискретный энергетический спектр, а не расширенный (непрерывный) спектр, характерный для бета-частиц . В то время как энергетический спектр бета-частиц отображается как широкий горб, энергетический спектр внутренне преобразованных электронов отображается как один острый пик (см. Пример ниже).

Механизм [ править ]

В квантово-механической модели электрона существует ненулевая вероятность найти электрон внутри ядра. 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 напрямую получить энергию ядерного перехода, 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 внутреннего преобразования K-оболочки к другим L, M или N оболочкам для различных нуклидов. ^[3]

Количество энергии, превышающее энергию связи атома s-электрона, должно быть передано этому электрону, чтобы вытолкнуть его из атома и привести 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, 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 [ править ]

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, 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 гауссову форму конечной ширины.

Когда ожидается процесс [ править ]

Внутреннее преобразование (часто обозначаемое сокращенно IC) предпочтительнее, когда энергия, доступная для гамма-перехода, мала, и это также основной способ снятия возбуждения для переходов 0 ⁺ → 0 ⁺ (т.е. 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 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.

Конкуренция между внутренней конверсией и гамма-распадом количественно выражается в виде коэффициента внутренней конверсии, который определяется как где - скорость конверсии электронов, а - скорость гамма-излучения, наблюдаемого распадающимся ядром. Например, при распаде возбужденного состояния при 35 кэВ ¹²⁵ Те (которое создается распадом 125 I ) 7% распадов испускают энергию в виде гамма-лучей, а 93% выделяют энергию в виде конверсионных электронов. Следовательно, это возбужденное состояние${\displaystyle \alpha =e/{\gamma }}$${\displaystyle e}$${\displaystyle \gamma }$¹²⁵
Те имеет внутренний коэффициент преобразования .${\displaystyle \alpha =93/7=13.3}$

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. ^[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 , где и - энергии ядра в его начальном и конечном состояниях, соответственно, а - энергия связи электрон.${\displaystyle E=(E_{i}-E_{f})-E_{B}}$${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle E_{f}}$${\displaystyle E_{B}}$

Подобные процессы [ править ]

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, накладываемого сохранением импульса, но они обладают достаточной энергией распада для распада. по производству пара . ^[5] 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, испускаемый ядром атома, попадает в другой атом, он может быть поглощен, производя фотоэлектрон 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 электрон Оже вместо рентгеновского излучения, если электрон отсутствует в одном из нижних -ложные 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 электронов 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, поскольку 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.

См. Также [ править ]

• Коэффициент внутренней конверсии

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• 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 по ядерной медицине № 6 AAPM, 1992 г., Medical Physics 19 (6), 1371–1383

Внешние ссылки [ править ]

• Гиперфизика