Внутренняя конверсия

Ядерная физика

Атомное ядро · Радиоактивный распад · Ядерная реакция · Термоядерная реакция

Основные термины Атомное ядро · Изотопы · Изобары · Капельная модель ядра · Период полураспада · Массовое число · Составное ядро · Цепная ядерная реакция · Ядерное эффективное сечение Распад ядер Закон радиоактивного распада · Альфа-распад · Бета-распад · Кластерный распад Сложный распад Электронный захват · Двойной бета-распад · Двойной электронный захват · Внутренняя конверсия · Изомерный переход Излучения Нейтронный распад · Позитронный распад · Протонный распад · Гамма излучение · Фоторасщепление Захваты Электронный захват · Нейтронный захват (r-процесс · s-процесс) · Протонный захват (p-процесс · rp-процесс) · Нейтронизация Деление ядра Спонтанное деление Нуклеосинтез Протон-протонный цикл · CNO-цикл · Тройной альфа-процесс · Гелиевая вспышка · Горение углерода · Углеродная детонация · Горение кислорода · Горение неона · Горение кремния · Реакции скалывания Известные учёные Беккерель · Бете · Бор · Гейзенберг · Кюри М. · Кюри П. · Резерфорд · Содди · Уилер · Ферми

См. также: Портал:Физика

Ядерные процессы

Радиоактивный распад Альфа-распад Бета-распад Кластерный распад Двойной бета-распад Электронный захват Двойной электронный захват Гамма-излучение Внутренняя конверсия Изомерный переход Нейтронный распад Позитронный распад Протонный распад Спонтанное деление Нуклеосинтез Термоядерная реакция Протон-протонный цикл CNO-цикл Тройной альфа-процесс Гелиевая вспышка Горение углерода Углеродная детонация Горение неона Горение кремния Нейтронный захват r-процесс s-процесс Захват протонов: p-процесс rp-процесс Нейтронизация Реакции скалывания

Внутренняя конве́рсия (от лат. conversio — обращение, вращение, превращение, изменение) — физическое явление, заключающееся в том, что переход атомного ядра из возбуждённого изомерного состояния в состояние с меньшей энергией (или основное состояние) осуществляется путём передачи высвобождаемой при переходе энергии непосредственно одному из электронов этого атома^[1][2][3]. Таким образом, в результате этого явления испускается не γ-квант, а так называемый конверсионный электрон, энергия которого определяется разностью между энергией ядерного изомерного перехода и энергией связи определенной оболочки, с которой электрон был испущен (в зависимости от этого различают K-, L-, M- и др. электроны). Кроме того, небольшая доля энергии (сотые или тысячные доли процента) передаётся самому атому в результате эффекта отдачи^[1].

Стоит подчеркнуть, что испускаемый конверсионный электрон не является бета-частицей, так как в результате внутренней конверсии не происходит изменения заряда атомного ядра. Спектр испущенных конверсионных электронов всегда является линейным ввиду их моноэнергетичности из-за привязки к конкретной электронной оболочке, в то время как спектр электронов бета-распада является непрерывным (из-за того, что при бета-распаде энергия распределяется между электроном и электронным антинейтрино).

История открытия явления

Впервые ряд дискретных линий в спектре распределения скоростей электронов, испускаемых при бета-распаде, был обнаружен в 1909—1910 гг. Байером, Ганом и Мейтнер, направившими бета-электроны (после разделения в магнитном поле) на фотопластинку. Однако они не сумели обнаружить непрерывного фона электронов бета-распада. Наличие фона смог зарегистрировать в 1914 году Джеймс Чедвик^[4].

Практически одновременно с этим Резерфорд, Робинсон (англ. H. Robinson) и Раулинсон (англ. W. T. Rowlinson) обнаружили, что гамма-лучи, испускаемые при радиоактивном распаде, способны вырывать из металлических пластинок электроны, обладающие дискретными скоростями. Поэтому Резерфорд высказал предположение о том, что дискретные линии в спектре бета-лучей принадлежат вторичным электронам, вырванным гамма-лучами, испускаемыми ядром, из электронных оболочек атома, впоследствии это явление получило название внутренней конверсии. Таким образом непосредственно электронами бета-распада являются электроны непрерывного бета-спектра, что впоследствии было подтверждено работами Эллиса (англ. C. D. Ellis) и Вустера (англ. W. A. Wooster)^[4].

Механизм явления

Передача энергии электрону одной из электронных оболочек возможна благодаря тому, что волновые функции ядра и нижних атомных оболочек перекрываются (что означает конечную вероятность нахождения электрона s-орбитали в ядре). Процесс передачи энергии можно представить в виде испускания ядром гамма-кванта (как правило, виртуального) и поглощения этого кванта электроном атомной оболочки, в результате чего электрон покидает атом.

Присутствие в этом механизме виртуального гамма-кванта позволяет объяснить возможность переходов между ядерными состояниями со спинами, равными нулю. В таких переходах испускание гамма-квантов абсолютно запрещено и переход ядра происходит либо путём внутренней конверсии (при этом передача энергии электрону осуществляется именно виртуальным гамма-квантом), либо излучением двух гамма-квантов с суммарной энергией равной энергии ядерного перехода^[1].

Наибольшую вероятность имеет процесс внутренней конверсии электронов K-оболочки (1s орбиталь). После испускания электрона в результате внутренней конверсии, образовавшаяся вакансия заполняется электроном с более высокой атомной орбитали, в результате чего наблюдается испускание характеристического рентгеновского излучения или Оже-электронов.

Коэффициент внутренней конверсии

Вероятность внутренней конверсии по отношению к вероятности перехода с испусканием гамма-кванта характеризуется полным коэффициентом внутренней конверсии, который определяется в виде отношения интенсивности потока конверсионных электронов к интенсивности гамма-излучения для данного ядерного перехода. Для определения парциальных коэффициентов внутренней конверсии для электронов K-, L-, M-…оболочек в отношении используют интенсивности потока конверсионных электронов данной электронной оболочки^[2][3]. Таким образом, полный коэффициент внутренней конверсии равен сумме парциальных:

$\alpha = \frac{\mathrm{N_e}}{\mathrm{N_{\gamma}}} = {\alpha}_K + {\alpha}_L + {\alpha}_M + ...$

Расчёты коэффициента внутренней конверсии проводятся методами квантовой теории поля с учётом экранирования заряда ядра электронами других оболочек атома и конечных размеров ядра. Коэффициент внутренней конверсии изменяется в широких пределах (10³—10⁻⁴) в зависимости от энергии и мультипольности ядерного перехода, а также от заряда ядра и от оболочки, на которой происходит внутренняя конверсия. Он тем больше, чем меньше энергия перехода, чем выше его мультипольность и чем больше заряд ядра (в первом приближении ~Z³)^[1][2]. В слабой степени (0,1-1 %) коэффициент внутренней конверсии также зависит и от структуры ядра^[1].

Сравнение экспериментально измеренных коэффициентов внутренней конверсии с рассчитанными теоретически является одним из основных методов определения мультипольностей переходов и квантовых характеристик (спинов и чётностей) ядерных состояний^[2].

Парная конверсия

Если энергия ядерного перехода превышает удвоенную энергию покоя электрона (E > 2m_ec = 1,022 МэВ), тогда может происходить образование электрон-позитронных пар (так называемая парная конверсия), вероятность которой в отличие внутренней конверсии на электронах растёт с ростом энергии ядерного перехода и падает с увеличением его мультипольности. В этом случае спектры образующихся электронов и позитронов являются непрерывными. Суммарная кинетическая энергия электрона и позитрона равна разности энергии ядерного перехода и энергии, затраченной на рождение электрон-позитронной пары^[1].

Сходные процессы

Не следует смешивать понятия внутренней конверсии и фотоэлектрического эффекта, в результате которого также происходит испускание электронов веществом под воздействием электромагнитного излучения. Их различие состоит в том, что при внутренней конверсии гамма-квант, передающий энергию, является виртуальным.

Образование Оже-электронов, которые могут появляться в том числе и после внутренней конверсии, происходит по схожему с внутренней конверсией механизму, когда избыточная энергия (появившаяся в результате перехода электрона с более высокого электронного уровня на нижележащий для заполнения вакансии) передается одному из электронов (см. эффект Оже). Различие между излучением Оже-электронов и внутренней конверсией состоит в том, что в первом случае энергия, уносимая электроном, передаётся ему от возбуждённой электронной оболочки атома, а во втором случае — от возбуждённого ядра.

См. также

• Бета-распад
• Гамма-излучение
• Электронный захват

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. Добротность — Магнитооптика. — С. 436. — 703 с. — ISBN 5-85270-061-4
2. ↑ ^{1 2 3 4} «Конверсия внутренняя» в БСЭ
3. ↑ ^{1 2} «Внутренняя конверсия» на сайте НИИЯФ МГУ
4. ↑ ^{1 2} Бронштейн М. П. Внутренняя конверсия гамма-лучей. // УФН. — 1933. — № 7.

Литература

• Грошев Л. В., Шапиро И. С. Спектроскопия атомных ядер. — М., 1952.
• Гамма-лучи / под ред. Л. А. Слив. — М. — Л., 1961.
• Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия / под ред. К. Зигбана. — М., 1969.