Conversión interna - Internal conversion

La conversión interna es un proceso de desintegración no radiactivo en el que un núcleo excitado interactúa electromagnéticamente con uno de los electrones orbitales del átomo. Esto hace que el electrón sea emitido (expulsado) del átomo. Así, en un proceso de conversión interno, un electrón de alta energía se emite desde el átomo radiactivo, pero no desde el núcleo. Por esta razón, los electrones de alta velocidad que resultan de la conversión interna no se denominan partículas beta , ya que estas últimas provienen de la desintegración beta , donde se crean nuevamente en el proceso de desintegración nuclear.

La conversión interna es posible siempre que sea posible la desintegración gamma , excepto en el caso de que el átomo esté completamente ionizado . Durante la conversión interna, el número atómico no cambia y, por lo tanto (como es el caso de la desintegración gamma) no se produce ninguna transmutación de un elemento a otro.

Dado que un electrón se pierde del átomo, aparece un agujero en una capa de electrones que posteriormente se llena con otros electrones que descienden a ese nivel de energía más bajo y vacío, y en el proceso emiten rayos X característicos , Auger electron (s) ), o ambos. Por tanto, el átomo emite electrones de alta energía y fotones de rayos X, ninguno de los cuales se origina en ese núcleo. El átomo suministró la energía necesaria para expulsar el electrón, lo que a su vez provocó los últimos eventos y las otras emisiones.

Dado que los electrones primarios de la conversión interna llevan una parte fija (grande) de la energía de desintegración característica, tienen un espectro de energía discreto, en lugar del espectro extendido (continuo) característico de las partículas beta . Mientras que el espectro de energía de las partículas beta se traza como una gran joroba, el espectro de energía de los electrones convertidos internamente se traza como un solo pico agudo (ver ejemplo a continuación).

Mecanismo

En el modelo mecánico cuántico del electrón, existe una probabilidad distinta de cero de encontrar el electrón dentro del núcleo. Durante el proceso de conversión interna, se dice que la función de onda de un electrón de capa interna (generalmente un electrón s ) penetra en el volumen del núcleo atómico . Cuando esto sucede, el electrón puede acoplarse a un estado de energía excitada del núcleo y tomar la energía de la transición nuclear directamente, sin que se produzca primero un rayo gamma intermedio . La energía cinética del electrón emitido es igual a la energía de transición en el núcleo, menos la energía de enlace del electrón al átomo.

La mayoría de los electrones de conversión interna (IC) provienen de la capa K (el estado 1s), ya que estos dos electrones tienen la mayor probabilidad de estar dentro del núcleo. Sin embargo, los estados s en las capas L, M y N (es decir, los estados 2s, 3s y 4s) también pueden acoplarse a los campos nucleares y causar eyecciones de electrones IC de esas capas (llamadas L o M o N conversión interna). Se han preparado relaciones de probabilidades de conversión interna de capa K y otras capas L, M o N para varios nucleidos.

Se debe suministrar a ese electrón una cantidad de energía que exceda la energía de enlace atómica del electrón s para expulsarlo del átomo y dar como resultado IC; es decir, la conversión interna no puede ocurrir si la energía de desintegración del núcleo es menor que un cierto umbral. Hay algunos radionucleidos en los que la energía de desintegración no es suficiente para convertir (expulsar) un electrón 1s (capa K), y estos nucleidos, para desintegrarse por conversión interna, deben desintegrarse expulsando electrones de las capas L o M o N es decir, expulsando electrones 2s, 3s o 4s) ya que estas energías de enlace son más bajas.

Aunque los electrones s son más probables para los procesos de CI debido a su penetración nuclear superior en comparación con los electrones con momento angular orbital, los estudios espectrales muestran que los electrones p (de las capas L y superiores) se expulsan ocasionalmente en el proceso de CI.

Una vez que se ha emitido el electrón IC, el átomo queda vacío en una de sus capas de electrones, generalmente una interna. Este agujero se llenará con un electrón de una de las capas superiores, lo que hace que otro electrón externo ocupe su lugar a su vez, provocando una cascada. En consecuencia, se emitirán uno o más rayos X característicos o electrones Auger a medida que los electrones restantes en el átomo caen en cascada para llenar las vacantes.

Un ejemplo: la desintegración de 203 Hg

Esquema de descomposición de 203 Hg
Espectro de electrones de 203 Hg, según Wapstra et al., Physica 20 (1954) 169

El esquema de desintegración de la izquierda muestra que 203 Hg produce un espectro beta continuo con una energía máxima de 214 keV, que conduce a un estado excitado del núcleo hijo 203 Tl. Este estado decae muy rápidamente (dentro de 2.8 × 10 −10  s) al estado fundamental de 203 Tl, emitiendo un cuanto gamma de 279 keV.

La figura de la derecha muestra el espectro de electrones de 203 Hg, medido por medio de un espectrómetro magnético . Incluye el espectro beta continuo y las líneas K, L y M debido a la conversión interna. Dado que la energía de enlace de los electrones K en 203 Tl asciende a 85 keV, la línea K tiene una energía de 279 - 85 = 194 keV. Debido a las menores energías de enlace, las líneas L y M tienen energías más altas. Debido a la resolución de energía finita del espectrómetro, las "líneas" tienen una forma gaussiana de ancho finito.

Cuando se espera el proceso

La conversión interna (a menudo abreviada IC) se favorece siempre que la energía disponible para una transición gamma es pequeña, y también es el modo principal de desexcitación para las transiciones 0 + → 0 + (es decir, E0). Las transiciones 0 + → 0 + ocurren cuando un núcleo excitado tiene espín cero y paridad positiva , y decae a un estado fundamental que también tiene espín cero y paridad positiva (como todos los nucleidos con números pares de protones y neutrones). En tales casos, la desexcitación no puede tener lugar mediante la emisión de un rayo gamma, ya que esto violaría la conservación del momento angular, por lo que predominan otros mecanismos como el IC. Esto también muestra que la conversión interna (contrariamente a su nombre) no es un proceso de dos pasos en el que primero se emitiría un rayo gamma y luego se convertiría.

Coeficiente de conversión interno para las transiciones E1 para Z = 40, 60 y 80 según las tablas de Sliv y Band, en función de la energía de transición.

La competencia entre la conversión interna y la desintegración gamma se cuantifica en forma de coeficiente de conversión interna que se define como dónde es la tasa de conversión de electrones y es la tasa de emisión de rayos gamma observada desde un núcleo en descomposición. Por ejemplo, en la desintegración del estado excitado a 35 keV de 125 Te (que se produce por la desintegración de 125 I ), el 7% de las desintegraciones emiten energía como un rayo gamma, mientras que el 93% libera energía como electrones de conversión. Por lo tanto, este estado excitado de 125
Te
tiene un coeficiente de conversión interno de .

Para aumentar el número atómico (Z) y disminuir la energía de los rayos gamma, se observa que aumentan los coeficientes de conversión interna. A modo de ejemplo, en la figura se muestran los coeficientes IC calculados para las transiciones de dipolo eléctrico (E1), para Z = 40, 60 y 80.

La energía del rayo gamma emitido es una medida precisa de la diferencia de energía entre los estados excitados del núcleo en descomposición. En el caso de los electrones de conversión, la energía de enlace también debe tenerse en cuenta: la energía de un electrón de conversión se da como , donde y son las energías del núcleo en sus estados inicial y final, respectivamente, mientras que es la energía de enlace de el electrón.

Procesos similares

Los núcleos con cero spin y energías de excitación altas (más de aproximadamente 1.022 MeV) tampoco pueden deshacerse de la energía por emisión gamma (única) debido a la restricción impuesta por la conservación del momento, pero tienen suficiente energía de desintegración para desintegrarse. por producción en pareja . En este tipo de desintegración, el átomo emite un electrón y un positrón al mismo tiempo, y la conservación del momento angular se resuelve haciendo que estas dos partículas producto giren en direcciones opuestas.

El proceso de conversión interna no debe confundirse con el efecto fotoeléctrico similar . Cuando un rayo gamma emitido por el núcleo de un átomo golpea un átomo diferente, puede ser absorbido produciendo un fotoelectrón de energía bien definida (esto solía llamarse "conversión externa"). Sin embargo, en la conversión interna, el proceso ocurre dentro de un átomo y sin un rayo gamma intermedio real.

Así como un átomo puede producir un electrón de conversión interna en lugar de un rayo gamma si hay energía disponible dentro del núcleo, un átomo puede producir un electrón Auger en lugar de un rayo X si falta un electrón en uno de los -Cáscaras de electrones subyacentes. (El primer proceso puede incluso precipitar el segundo.) Al igual que los electrones IC, los electrones Auger tienen una energía discreta, lo que da como resultado un pico de energía agudo en el espectro.

El proceso de captura de electrones también involucra un electrón de capa interna, que en este caso se retiene en el núcleo (cambiando el número atómico) y dejando el átomo (no el núcleo) en un estado excitado. El átomo al que le falta un electrón interno puede relajarse mediante una cascada de emisiones de rayos X a medida que los electrones de mayor energía en el átomo caen para llenar el vacío dejado en la nube de electrones por el electrón capturado. Dichos átomos también exhiben típicamente emisión de electrones Auger. La captura de electrones, como la desintegración beta, también suele dar como resultado núcleos atómicos excitados, que luego pueden relajarse a un estado de energía nuclear más baja mediante cualquiera de los métodos permitidos por las restricciones de espín, incluida la desintegración gamma y la desintegración de conversión interna.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

  • Krane, Kenneth S. (1988). Introducción a la física nuclear . J. Wiley & Sons. ISBN   0-471-80553-X .
  • L'Annunziata, Michael F .; et al. (2003). Manual de análisis de radiactividad . Prensa académica. ISBN   0-12-436603-1 .
  • RWHowell, Espectros de radiación para radionucleidos emisores de electrones Auger: Informe núm. 2 del Grupo de trabajo núm. 6 de medicina nuclear de la AAPM, 1992, Física médica 19 (6), 1371-1383

enlaces externos