Введение

Процесс, при котором возбужденное ядро выбрасывает орбитальный электрон из своего атома – атомный ядерный процесс. Внутреннее преобразование – это процесс атомного распада, при котором возбужденное ядро электромагнитно взаимодействует с одним из орбитальных электронов атома. Это приводит к испусканию (выбрасыванию) электрона из атома. Таким образом, при внутреннем преобразовании (часто обозначаемом как IC) испускается высокоэнергетический электрон из возбужденного атома, но не из ядра. По этой причине высокоскоростные электроны, возникающие в результате внутреннего преобразования, не называются бета-частицами, поскольку последние образуются при бета-распаде, где они создаются в процессе ядерного распада. IC возможно всякий раз, когда возможен гамма-распад, за исключением случаев полной ионизации атома. При IC атомный номер не изменяется, и, следовательно, не происходит трансмутация одного элемента в другой. Нейтрино и слабое взаимодействие не участвуют в IC. Поскольку электрон теряется из атома, в электронной оболочке образуется вакансия, которая впоследствии заполняется другими электронами, переходящими на более низкий энергетический уровень, при этом испуская характеристическое рентгеновское излучение, электроны Оже или и то, и другое. Таким образом, атом излучает электроны высокой энергии и фотоны рентгеновского излучения, ни один из которых не происходит из ядра. Атом предоставляет энергию, необходимую для выброса электрона, что, в свою очередь, вызывает последующие события и другие излучения. Поскольку первичные электроны, возникающие при IC, несут фиксированную (значительную) часть характерной энергии распада, они имеют дискретный энергетический спектр, в отличие от широкого (непрерывного) спектра, характерного для бета-частиц. В то время как энергетический спектр бета-частиц отображается в виде широкого пика, энергетический спектр электронов, образовавшихся в результате внутреннего преобразования, отображается в виде одного острого пика (см. пример ниже).

Механизм

В квантовой модели электрона существует ненулевая вероятность обнаружения электрона внутри ядра. При внутреннем преобразовании волновая функция электрона внутренней оболочки (обычно s-электрона) проникает в ядро. Когда это происходит, электрон может взаимодействовать с возбужденным энергетическим состоянием ядра и непосредственно поглощать энергию ядерного перехода, без предварительного испускания промежуточного гамма-кванта. Кинетическая энергия испущенного электрона равна энергии перехода в ядре, уменьшенной на энергию связи электрона с атомом. Большинство электронов, испускаемых при внутреннем преобразовании, происходят из K-оболочки (состояние 1s), поскольку эти электроны имеют наибольшую вероятность находиться внутри ядра. Однако s-состояния в оболочках L, M и N (то есть состояния 2s, 3s и 4s) также способны взаимодействовать с ядерными полями и вызывать эjection электронов при внутреннем преобразовании из этих оболочек (так называемое внутреннее преобразование L, M или N). Соотношения вероятностей внутреннего преобразования для K-оболочки и других оболочек (L, M или N) для различных нуклидов были установлены. Для эjection электрона из атома при внутреннем преобразовании необходимо, чтобы ему была передана энергия, превышающая атомную энергию связи s-электрона; иными словами, внутреннее преобразование невозможно, если энергия распада ядра меньше определенного порогового значения. Хотя s-электроны более склонны к внутреннему преобразованию благодаря их лучшему проникновению в ядро по сравнению с электронами с большим орбитальным угловым моментом, спектральные исследования показывают, что электроны p (из оболочек L и выше) иногда испускаются в процессе внутреннего преобразования. Существуют также некоторые радионуклиды, энергия распада которых недостаточна для преобразования (эjection) электрона 1s (K-оболочки), и эти нуклиды, распадающиеся путем внутреннего преобразования, должны распадаться путем эjection электронов из оболочек L, M или N (то есть путем эjection электронов 2s, 3s или 4s), поскольку энергии связи в этих оболочках ниже. После испускания электрона при внутреннем преобразовании в атоме остается вакансия в одной из его электронных оболочек, как правило, внутренней. Эта вакансия заполняется электроном из более высокой оболочки, что, в свою очередь, вызывает заполнение освободившегося места другим внешним электроном, что приводит к каскаду. В результате испускаются один или несколько характеристических рентгеновских лучей или электронов Оже, когда оставшиеся электроны в атоме каскадно заполняют вакансии.

Пример: распад Hg

Схема распада слева показывает, что Hg испускает непрерывный бета-спектр с максимальной энергией 214 кэВ, который приводит к возбужденному состоянию дочернего ядра Tl. Это состояние очень быстро распадается (в течение 2,8×10⁻¹⁰ с) до основного состояния Tl, испуская гамма-квант энергией 279 кэВ. На рисунке справа представлен электронный спектр Hg, измеренный с помощью магнитного спектрометра. Он включает в себя непрерывный бета-спектр и K-, L- и M-линии, возникающие в результате внутреннего преобразования. Поскольку энергия связи K-электронов в Tl составляет 85 кэВ, энергия K-линии равна 279 − 85 = 194 кэВ. Линии L и M имеют более высокую энергию из-за меньшей энергии связи. Вследствие конечного энергетического разрешения спектрометра, "линии" имеют гауссову форму с конечной шириной.

Когда ожидается процесс

Внутреннее преобразование предпочтительнее, когда энергия, доступная для гамма-перехода, мала, и является основным способом дезэкситации 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 дезэкситация не может происходить путем излучения гамма-кванта, поскольку это нарушило бы закон сохранения углового момента, поэтому преобладают другие механизмы, такие как внутреннее преобразование. Это также показывает, что внутреннее преобразование (вопреки своему названию) не является двухступенчатым процессом, в котором гамма-квант сначала излучается, а затем преобразуется. Конкуренция между внутренним преобразованием и гамма-распадами количественно оценивается внутренним коэффициентом преобразования, который определяется как , где – скорость образования конверсионных электронов, а – скорость излучения гамма-квантов, наблюдаемая при распаде ядра. Например, при распаде возбужденного состояния Те при 35 кэВ (которое образуется при распаде I), 7% распадов сопровождаются излучением энергии в виде гамма-кванта, в то время как 93% высвобождают энергию в виде конверсионных электронов. Следовательно, внутреннее преобразование для этого возбужденного состояния Те имеет коэффициент, равный .

С увеличением атомного номера (Z) и уменьшением энергии гамма-кванта коэффициенты внутреннего преобразования возрастают. Например, на рисунке показаны рассчитанные коэффициенты внутреннего преобразования для переходов электрического диполя (E1) при Z = 40, 60 и 80. Энергия излучаемого гамма-кванта является точным измерением разности энергий между возбужденными состояниями распадающегося ядра. В случае конверсионных электронов необходимо также учитывать энергию связи: энергия конверсионного электрона определяется как , где и – энергии ядра в начальном и конечном состояниях соответственно, а – энергия связи электрона.

Аналогичные процессы

Ядра с нулевым спином и высокой энергией возбуждения (более чем около 1,022 МэВ) также не могут избавиться от энергии посредством (одиночного) гамма-излучения из-за ограничений, накладываемых законом сохранения импульса, но у них достаточно энергии распада для распада путем образования пары. При этом типе распада электрон и позитрон испускаются из атома одновременно, а сохранение углового момента обеспечивается за счет вращения этих двух частиц в противоположных направлениях. Внутреннее преобразование (IC) не следует путать с аналогичным фотоэффектом. Когда гамма-квант, испущенный ядром атома, попадает в другой атом, он может быть поглощен, создавая фотоэлектрон с четко определенной энергией (ранее это называлось "внешним преобразованием"). Однако при внутреннем преобразовании процесс происходит внутри одного атома и без образования реального промежуточного гамма-кванта. Подобно тому, как атом может испустить электрон внутреннего преобразования вместо гамма-кванта, если энергия доступна изнутри ядра, атом может испустить электрон Оже вместо рентгеновского излучения, если в одной из низлежащих электронных оболочек отсутствует электрон. (Первый процесс может даже спровоцировать второй.) Как и электроны внутреннего преобразования, электроны Оже имеют дискретную энергию, что приводит к появлению резкого пика энергии в спектре. Электронный захват также включает электрон внутренней оболочки, который в этом случае остается в ядре (изменяя атомный номер) и оставляет атом (а не ядро) в возбужденном состоянии. Атом, потерявший внутренний электрон, может релаксировать посредством каскада рентгеновского излучения, поскольку электроны с более высокой энергией в атоме переходят, чтобы заполнить вакансию, образовавшуюся в электронном облаке в результате захвата электрона. Такие атомы также обычно демонстрируют эмиссию электронов Оже. Электронный захват, как и бета-распад, обычно приводит к возбуждению атомных ядер, которые затем могут релаксировать до состояния с наименьшей ядерной энергией любым из способов, разрешенных спиновыми ограничениями, включая гамма-распад и распад внутренним преобразованием.