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 · · Изомерный переход
Излучения Ионизирующее излучение · 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 Первичный нуклеосинтез · Протон-протонный цикл · CNO-цикл · Тройная гелиевая реакция · Гелиевая вспышка · Ядерное горение углерода · Углеродная детонация · Ядерное горение кислорода · Ядерное горение неона · Ядерное горение кремния · Реакции скалывания
См. также: Портал:Физика

Ядерные процессы
Радиоактивный распад
Альфа-распад Бета-распад Кластерный распад Двойной бета-распад Электронный захват Двойной электронный захват Гамма-излучение Изомерный переход Нейтронный распад Позитронный распад Протонный распад Спонтанное деление
Нуклеосинтез
Термоядерная реакция Протон-протонный цикл CNO-цикл Ядерное горение дейтерия Ядерное горение лития Тройная гелиевая реакция Гелиевая вспышка Ядерное горение углерода Углеродная детонация Ядерное горение неона Ядерное горение кислорода Ядерное горение кремния Нейтронный захват r-процесс s-процесс Захват протонов: p-процесс rp-процесс Нейтронизация Реакции скалывания Взрывной нуклеосинтез

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 . Таким образом, в результате этого явления испускается не γ-квант , а так называемый конверсионный электрон , кинетическая энергия которого равна разности между энергией ядерного изомерного перехода и энергией связи электрона на той оболочке , с которой он 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 .

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 линейчатым 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 .

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 ) .

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 (двухфотонным переходом) .

Наибольшую вероятность имеет процесс внутренней конверсии электронов K-оболочки ( орбиталь 1 s ). После испускания электрона в результате внутренней конверсии образовавшаяся вакансия заполняется электроном с более высокой атомной орбитали, в результате чего наблюдается испускание характеристического рентгеновского излучения и/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 . Таким образом, полный коэффициент внутренней конверсии равен сумме парциальных:

${\displaystyle \alpha ={\frac {\mathrm {N_{e}} }{\mathrm {N_{\gamma }} }}={\alpha }_{K}+{\alpha }_{L}+{\alpha }_{M}+...}$

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 (10 ³ —10 ⁻⁴ ) в зависимости от энергии и 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 ~ Z ³ ) . В слабой степени (0,1—1 %) коэффициент внутренней конверсии также зависит и от структуры ядра .

Сравнение экспериментально измеренных и теоретически рассчитанных коэффициентов внутренней конверсии является одним из основных методов определения мультипольностей переходов и квантовых характеристик ( спинов и чётностей ) ядерных состояний .

Парная конверсия

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

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 электрону, является виртуальным и испускается ядром того атома, в оболочке которого находится электрон.

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

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.