Кіріспе
Қозған ядроның өзінің атомынан орбиталық электронын шығарып тастауы процесі – атомдық ядролық процесс. Ішкі конверсия – атомның ыдырау процесі, онда қозған ядро атомның орбиталық электрондарының бірімен электромагниттік әрекеттеседі. Бұл электронның атомнан шығарылуына (эжектирленуіне) себеп болады. Осылайша, ішкі конверсияда (көбінесе IC деп қысқартылады) жоғары энергиялы электрон қозған атомнан шығарылады, бірақ ядродан емес. Осы себепті, ішкі конверсиядан пайда болған жоғары жылдамдықты электрондар бета-бөлшектер деп аталмайды, себебі соңғылары бета-ыдыраудан пайда болады, онда олар ядролық ыдырау процесінде жаңадан туындайды. IC, гамма-ыдырау мүмкін болған кезде ғана болады, егер атом толық иондалған болмаса. IC-де атомдық нөмір өзгермейді, демек бір элементтің екінші элементке ауысуы болмайды. Сондай-ақ, IC-ге нейтринолар мен әлсіз күш қатыспайды. Атомнан электрон жоғалғандықтан, электрондық қабықта бос орын пайда болады, ол кейіннен басқа электрондармен толтырылады, олар бос, бірақ төменгі энергия деңгейіне өтеді және осы процесте сипаттамалық рентген сәулелерін, Аугер электрондарын немесе екеуін де шығарады. Осылайша атом жоғары энергиялы электрондар мен рентген сәулелерінің фотондарын шығарады, олардың ешқайсысы ядродан туындамайды. Атом электронды шығаруға қажетті энергияны береді, бұл өз кезегінде аталған оқиғалар мен басқа эмиссияларды тудырады. IC-ден алынған бастапқы электрондар сипаттамалық ыдырау энергиясының белгілі бір (үлкен) бөлігін алып жүретіндіктен, олар бета-бөлшектеріне тән (толық) таралым спектрінің орнына дискретті энергия спектріне ие. Бета-бөлшектерінің энергия спектрі кең дөңгелек түрінде, ал ішкі конверсиядан шыққан электрондардың энергия спектрі бір ғана өткір шың ретінде бейнеленеді (төмендегі мысалға қараңыз).
the atomic nuclear process
Internal conversion is an atomic decay process where an excited nucleus interacts electromagnetically with one of the orbital electrons of an atom. This causes the electron to be emitted (ejected) from the atom. Thus, in internal conversion (often abbreviated IC), a high energy electron is emitted from the excited atom, but not from the nucleus. For this reason, the high speed electrons resulting from internal conversion are not called beta particles, since the latter come from beta decay, where they are newly created in the nuclear decay process. IC is possible whenever gamma decay is possible, except if the atom is fully ionized. In IC, the atomic number does not change, and thus there is no transmutation of one element to another. Also, neutrinos and the weak force are not involved in IC. Since an electron is lost from the atom, a hole appears in an electron aura which is subsequently filled by other electrons that descend to the empty, yet lower energy level, and in the process emit characteristic X ray(s), Auger electron(s), or both. The atom thus emits high energy electrons and X ray photons, none of which originate in that nucleus. The atom supplies the energy needed to eject the electron, which in turn causes the latter events and the other emissions. Since primary electrons from IC carry a fixed (large) part of the characteristic decay energy, they have a discrete energy spectrum, rather than the spread (continuous) spectrum characteristic of beta particles. Whereas the energy spectrum of beta particles plots as a broad hump, the energy spectrum of internally converted electrons plots as a single sharp peak (see example below).
Механизм
Электронның кванттық моделінде ядроның ішінде электронды табудың нөлдік емес ықтималдығы бар. Ішкі түрлендіру кезінде ішкі қабықшадағы электронның (әдетте s электроны) толқындық функциясы ядроға еніп өтеді. Бұл оқиға кезінде электрон ядроның қозу энергиясымен байланысып, ядролық ауысу энергиясын тікелей қабылдайды, алдымен аралық гамма сәулесінің пайда болуынсыз. Шығарылған электронның кинетикалық энергиясы ядродағы ауысу энергиясына тең, одан электронның атоммен байланысу энергиясы кешіріледі. Көптеген IC электронды K қабығынан (1s күйі) шығады, себебі осы екі электронның ядро ішінде болу ықтималдығы жоғары. Дегенмен, L, M және N қабықтарындағы s күйлері (яғни 2s, 3s және 4s күйлері) де ядролық өрістермен байланысып, сол қабықтардан IC электронды шығаруға (L немесе M немесе N ішкі түрлендіруі деп аталады) себеп болуы мүмкін. Әртүрлі нуклидтер үшін K қабығының басқа L, M немесе N қабықтарының ішкі түрлендіру ықтималдықтарына қатынастары анықталған. IC процесін іске асыру үшін s электронының атомдық байланысу энергиясынан артық энергия сол электронға берілуі керек; яғни, егер ядроның ыдырау энергиясы белгілі бір шектен төмен болса, ішкі түрлендіру орын алмайды. S электрондары жоғары ядролық ену қабілетіне байланысты үлкен орбиталық бұрыштық импульсы бар электрондарға қарағанда IC үшін ықтимал болғанымен, спектральдік зерттеулер p электрондарының (L және одан жоғары қабықшалардан) IC процесінде кейде шығарылатынын көрсетеді. Сонымен қатар, кейбір радионуклидтерде ыдырау энергиясы 1s (K қабығы) электронын түрлендіруге (электронды шығаруға) жеткіліксіз, сондықтан бұл нуклидтер ішкі түрлендіру арқылы ыдырау үшін L немесе M немесе N қабықтарынан электрондарды шығаруы керек (яғни 2s, 3s немесе 4s электрондарын шығаруы керек), себебі осы байланысу энергиялары төмен. IC электроны шығарылғаннан кейін атомның электрон қабықтарының бірінде, әдетте ішкі қабықта бос орын пайда болады. Бұл бос орын жоғары қабықшадан келген электронмен толтырылады, ол өз кезегінде басқа сыртқы электронды оның орнына толтырады, нәтижесінде каскад пайда болады. Соның салдарынан, атомдағы қалған электрондар бос орындарды толтыру үшін төмен қарай жылжығанда, бір немесе бірнеше сипаттамалық рентген сәулелері немесе Аугер электрондары шығарылады.
Мысал: Hg ыдырауы
Сол жақтағы ыдырау схемасы Hg 214 кэВ максималды энергиясы бар үздіксіз бета спектрін шығаратынын көрсетеді, ол Тl қызының қозған күйіне алып келеді. Бұл күй Тl негізгі күйіне өте жылдам (2,8×10 секунд ішінде) ыдырайды, 279 кэВ гамма квантын шығарады. Оң жақтағы суретте магниттік спектрометрмен өлшенген Hg электрон спектрі көрсетілген. Ол үздіксіз бета спектрін және ішкі түрлендіру нәтижесінде пайда болатын K, L және M сызықтарын қамтиды. Тl-дегі K электрондарының байланыс энергиясы 85 кэВ болғандықтан, K сызығының энергиясы 279 - 85 = 194 кэВ құрайды. L және M сызықтарының энергиясы байланыс энергиясы аз болғандықтан жоғарылайды. Спектрометрдің шекті энергиялық ажыратымдылығына байланысты, "сызықтар" шекті ені бар Гаусс пішініне ие.
Процесс күтілетін кезде
Ішкі түрлендіру гамма-өтпе үшін қол жетімді энергия аз болған кезде қолайлы, сондай-ақ 0→0 (яғни E0) өтпелері үшін деэкцитацияның басты түрі болып табылады. 0→0 ауысулары, қозылған ядроның спині нөлге тең және паритеті оң болғанда, ал ыдырау нөлдік спині мен оң паритеті бар негізгі күйге (мысалы, протон мен нейтрон саны жұп болатын барлық нуклидтер) жүргенде пайда болады. Мұндай жағдайларда гамма сәулесін шығару арқылы деэкцитация мүмкін емес, себебі бұл бұрыштық импульстің сақталу заңын бұзады, сондықтан IC сияқты басқа механизмдер басым болады. Бұл сонымен қатар ішкі түрлендірудің (атына қарамастан) екі қадамдық процесс емес екенін көрсетеді, онда ең алдымен гамма сәулесі шығарылып, содан кейін түрлендіріледі. IC және гамма-ыдырау арасындағы бәсекелестік ішкі түрлендіру коэффициенті арқылы сипатталады, ол конверсиялық электрондардың жылдамдығы мен ыдырап бара жатқан ядродан байқалатын гамма сәулесінің эмиссиясының жылдамдығы ретінде анықталады. Мысалы, I-дің ыдырауынан пайда болатын 35 кэВ энергиядағы Te-нің қозған күйінің ыдырауында, ыдыраулардың 7% энергияны гамма сәулесі түрінде шығарады, ал 93% энергияны конверсиялық электрондар түрінде шығарады. Сондықтан, бұл қозған күйдің IC коэффициенті тең. Атомдық санның (Z) өсуімен және гамма сәулесінің энергиясының төмендеуімен IC коэффициенттері артады. Мысалы, суретте Z = 40, 60 және 80 үшін электрлік дипольдік (E1) ауысуларға есептелген IC коэффициенттері көрсетілген. Шығарылған гамма сәулесінің энергиясы – ыдырап бара жатқан ядроның қозған күйлері арасындағы энергия айырмашылығының нақты өлшемі. Конверсиялық электрондар үшін байланысу энергиясын да ескеру қажет: Конверсиялық электрондардың энергиясы , мұндағы және ядроның бастапқы және соңғы күйлеріндегі энергиялары, ал – электроның байланысу энергиясы.
For increasing atomic number (Z) and decreasing gamma ray energy, IC coefficients increase. For example, calculated IC coefficients for electric dipole (E1) transitions, for Z = 40, 60, and 80, are shown in the figure. The energy of the emitted gamma ray is a precise measure of the difference in energy between the excited states of the decaying nucleus. In the case of conversion electrons, the binding energy must also be taken into account: The energy of a conversion electron is given as , where and are the energies of the nucleus in its initial and final states, respectively, while is the binding energy of the electron.
Ұқсас процестер
Спині нөл және жоғары қоздыру энергиясы бар (шамамен 1,022 МэВ-тан астам) ядролар импульстің сақталу заңына байланысты (бір) гамма-сәуле шығару арқылы энергиядан арыла алмайды, бірақ олардың жұп өндіру арқылы ыдырауға жеткілікті ыдырау энергиясы бар. Бұл типтегі ыдырауда электрон мен позитрон бір уақытта атомнан шығарылады, ал бұрыштық импульстің сақталуы осы екі туынды бөлшектің қарама-қарсы бағытта айналуымен шешіледі. IC (ішкі конверсия) ұқсас фотоэлектрлік эффектімен шатастырылмауы керек. Атом ядросынан шығарылған гамма-сәуле басқа атомға түскенде, ол анықталған энергиясы бар фотоэлектронды шығарып сіңірілуі мүмкін (бұл бұрын "сыртқы конверсия" деп аталатын). Алайда, IC-де бұл процесс бір атомның ішінде, аралық гамма-сәулесіз жүреді. Егер ядроның ішінде энергия болса, атом гамма-сәуле шығарудың орнына IC электронын, ал электрон қабықтарының бірінен электрон жоғалса, рентген сәулесінің орнына Аугер электронын шығара алады. (Бірінші процесс тіпті екінші процеске де әкелуі мүмкін.) IC электрондары сияқты, Аугер электрондары да дискретті энергияға ие, нәтижесінде спектрде өткір шың пайда болады. Электронды ұстау да ішкі қабықшадағы электронды қамтиды, ол бұл жағдайда ядрода қалады (атомдық нөмірді өзгертеді) және атомды (ядро емес) қозған күйде қалдырады. Ішкі электроны жоқ атом, ұсталған электроннан қалған бос орынды толтыру үшін атомдағы жоғары энергиялы электрондар төмен түскенде, рентген сәулелерін шығару арқылы қайта жағдайға келеді. Мұндай атомдар әдетте Аугер электрондарының эмиссиясын да көрсетеді. Электронды ұстау, бета-ыдырау сияқты, көбінесе қозған атом ядроларына әкеледі, содан кейін олар спиндік шектеулерге сәйкес, соның ішінде гамма-ыдырау және ішкі конверсиялық ыдырау арқылы ең төменгі ядролық энергия деңгейіне жетеді.