Conversion interne - Internal conversion
| Physique nucléaire |
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La conversion interne est un processus de désintégration non radioactive dans lequel un noyau excité interagit électromagnétiquement avec l'un des électrons orbitaux de l'atome. Cela provoque l'émission (l'éjection) de l'électron de l'atome. Ainsi, dans un processus de conversion interne, un électron à haute énergie est émis par l'atome radioactif, mais pas par le noyau. Pour cette raison, les électrons à grande vitesse résultant de la conversion interne ne sont pas appelés particules bêta , car ces dernières proviennent de la désintégration bêta , où elles sont nouvellement créées dans le processus de désintégration nucléaire.
La conversion interne est possible chaque fois que la désintégration gamma est possible, sauf dans le cas où l'atome est totalement ionisé . Pendant la conversion interne, le numéro atomique ne change pas, et donc (comme c'est le cas avec la désintégration gamma) aucune transmutation d'un élément à un autre n'a lieu.
Puisqu'un électron est perdu de l'atome, un trou apparaît dans une coquille d'électrons qui est ensuite remplie par d'autres électrons qui descendent à ce niveau d'énergie inférieur vide, et dans le processus émettent des rayons X caractéristiques , électron Auger (s ), ou les deux. L'atome émet ainsi des électrons de haute énergie et des photons X, dont aucun ne provient de ce noyau. L'atome a fourni l'énergie nécessaire pour éjecter l'électron, qui à son tour a provoqué ces derniers événements et les autres émissions.
Puisque les électrons primaires de la conversion interne transportent une (grande) partie fixe de l'énergie de désintégration caractéristique, ils ont un spectre d'énergie discret, plutôt que le spectre étalé (continu) caractéristique des particules bêta . Alors que le spectre d'énergie des particules bêta est représenté par une large bosse, le spectre d'énergie des électrons convertis en interne est représenté par un seul pic aigu (voir l'exemple ci-dessous).
Mécanisme
Dans le modèle de mécanique quantique de l'électron, il existe une probabilité non nulle de trouver l'électron dans le noyau. Au cours du processus de conversion interne, on dit que la fonction d' onde d'un électron de la coquille interne (généralement un électron s ) pénètre dans le volume du noyau atomique . Lorsque cela se produit, l'électron peut se coupler à un état d'énergie excité du noyau et prendre directement l'énergie de la transition nucléaire, sans qu'un rayon gamma intermédiaire ne soit d'abord produit. L'énergie cinétique de l'électron émis est égale à l'énergie de transition dans le noyau, moins l' énergie de liaison de l'électron à l'atome.
La plupart des électrons de conversion interne (IC) proviennent de la couche K (l'état 1s), car ces deux électrons ont la plus grande probabilité d'être dans le noyau. Cependant, les états s dans les coquilles L, M et N (c'est-à-dire les états 2s, 3s et 4s) sont également capables de se coupler aux champs nucléaires et de provoquer des éjections d'électrons IC à partir de ces coquilles (appelées L ou M ou N conversion interne). Les rapports de la couche K aux autres probabilités de conversion interne de la couche L, M ou N pour divers nucléides ont été préparés.
Une quantité d'énergie dépassant l' énergie de liaison atomique de l'électron s doit être fournie à cet électron afin de l'éjecter de l'atome pour aboutir à IC; c'est-à-dire que la conversion interne ne peut pas avoir lieu si l'énergie de désintégration du noyau est inférieure à un certain seuil. Il y a quelques radionucléides dans lesquels l'énergie de désintégration n'est pas suffisante pour convertir (éjecter) un électron 1s (coquille K), et ces nucléides, pour se désintégrer par conversion interne, doivent se désintégrer en éjectant des électrons des coquilles L ou M ou N ( c'est-à-dire en éjectant des électrons 2s, 3s ou 4s) car ces énergies de liaison sont plus faibles.
Bien que les électrons s soient plus susceptibles pour les processus IC en raison de leur pénétration nucléaire supérieure par rapport aux électrons avec moment angulaire orbital, les études spectrales montrent que les électrons p (des coquilles L et plus) sont parfois éjectés dans le processus IC.
Une fois que l'électron IC a été émis, l'atome se retrouve avec une lacune dans l'une de ses couches d'électrons, généralement une couche intérieure. Ce trou sera rempli d'un électron provenant de l'une des couches supérieures, ce qui amènera un autre électron extérieur à remplir sa place à son tour, provoquant une cascade. Par conséquent, un ou plusieurs rayons X caractéristiques ou électrons Auger seront émis lorsque les électrons restants dans l'atome descendront en cascade pour combler les lacunes.
Un exemple: la désintégration de 203 Hg
Le schéma de désintégration sur la gauche montre que 203 Hg produit un spectre bêta continu avec une énergie maximale de 214 keV, qui conduit à un état excité du noyau fille 203 Tl. Cet état se désintègre très rapidement (en 2,8 × 10 -10 s) à l'état fondamental de 203 Tl, émettant un quantum gamma de 279 keV.
La figure de droite montre le spectre électronique de 203 Hg, mesuré au moyen d'un spectromètre magnétique . Il comprend le spectre bêta continu et les raies K, L et M en raison de la conversion interne. Puisque l'énergie de liaison des électrons K dans 203 Tl s'élève à 85 keV, la raie K a une énergie de 279 - 85 = 194 keV. En raison d'énergies de liaison moindres, les lignes L et M ont des énergies plus élevées. En raison de la résolution en énergie finie du spectromètre, les "lignes" ont une forme gaussienne de largeur finie.
Quand le processus est attendu
La conversion interne (souvent abrégée IC) est favorisée chaque fois que l'énergie disponible pour une transition gamma est faible, et c'est aussi le mode principal de désexcitation pour les transitions 0 + → 0 + (ie E0). Les transitions 0 + → 0 + se produisent lorsqu'un noyau excité a un spin nul et une parité positive , et se désintègre vers un état fondamental qui a également un spin zéro et une parité positive (comme tous les nucléides avec un nombre pair de protons et de neutrons). Dans de tels cas, la désexcitation ne peut pas avoir lieu au moyen de l'émission d'un rayon gamma, car cela violerait la conservation du moment cinétique, d'où la prédominance d'autres mécanismes comme IC. Cela montre également que la conversion interne (contrairement à son nom) n'est pas un processus en deux étapes où un rayon gamma serait d'abord émis puis converti.
La compétition entre conversion interne et désintégration gamma est quantifiée sous la forme du coefficient de conversion interne qui est défini comme où est le taux d'électrons de conversion et est le taux d'émission de rayons gamma observé à partir d'un noyau en décomposition. Par exemple, dans la désintégration de l'état excité à 35 keV de 125 Te (qui est produite par la désintégration de 125 I ), 7% des désintégrations émettent de l'énergie sous forme de rayon gamma, tandis que 93% libèrent de l'énergie sous forme d'électrons de conversion. Par conséquent, cet état excité de 125
Te a un coefficient de conversion interne de .
Pour augmenter le nombre atomique (Z) et diminuer l'énergie des rayons gamma, on observe une augmentation des coefficients de conversion interne. A titre d'exemple, les coefficients IC calculés pour les transitions dipôles électriques (E1), pour Z = 40, 60 et 80, sont indiqués sur la figure.
L'énergie du rayon gamma émis est une mesure précise de la différence d'énergie entre les états excités du noyau en décomposition. Dans le cas des électrons de conversion, l'énergie de liaison doit également être prise en compte: L'énergie d'un électron de conversion est donnée comme , où et sont les énergies du noyau dans ses états initial et final, respectivement, tandis que l'énergie de liaison de l'électron.
Processus similaires
Les noyaux avec un spin nul et des énergies d'excitation élevées (plus d'environ 1,022 MeV) sont également incapables de se débarrasser de l'énergie par (unique) émission gamma en raison de la contrainte imposée par la conservation de l'impulsion, mais ils ont une énergie de désintégration suffisante pour se désintégrer. par paire de production . Dans ce type de désintégration, un électron et un positron sont tous deux émis par l'atome en même temps, et la conservation du moment cinétique est résolue en faisant tourner ces deux particules de produit dans des directions opposées.
Le processus de conversion interne ne doit pas être confondu avec l' effet photoélectrique similaire . Lorsqu'un rayon gamma émis par le noyau d'un atome atteint un atome différent, il peut être absorbé en produisant un photoélectron d'énergie bien définie (cela s'appelait autrefois "conversion externe"). Dans la conversion interne, cependant, le processus se produit dans un atome, et sans véritable rayon gamma intermédiaire.
Tout comme un atome peut produire un électron de conversion interne à la place d'un rayon gamma si l'énergie est disponible à l'intérieur du noyau, un atome peut produire un électron Auger à la place d'un rayon X si un électron est absent de l'un des faibles -couches d'électrons sous-jacentes. (Le premier processus peut même précipiter le second.) Comme les électrons IC, les électrons Auger ont une énergie discrète, ce qui entraîne un pic d'énergie net dans le spectre.
Le processus de capture d'électrons implique également un électron d'enveloppe interne, qui dans ce cas est retenu dans le noyau (en changeant le numéro atomique) et laissant l'atome (pas le noyau) dans un état excité. L'atome manquant d'un électron interne peut se détendre par une cascade d' émissions de rayons X alors que les électrons d'énergie plus élevée dans l'atome tombent pour combler le vide laissé dans le nuage d'électrons par l'électron capturé. De tels atomes présentent également typiquement une émission d'électrons Auger. La capture d'électrons, comme la désintégration bêta, entraîne également généralement des noyaux atomiques excités, qui peuvent ensuite se détendre à un état d'énergie nucléaire la plus basse par l'une des méthodes autorisées par les contraintes de spin, y compris la désintégration gamma et la désintégration de la conversion interne.
Voir également
Les références
Lectures complémentaires
- Krane, Kenneth S. (1988). Introduction à la physique nucléaire . J. Wiley & Sons. ISBN 0-471-80553-X .
- L'Annunziata, Michael F .; et coll. (2003). Manuel d'analyse de la radioactivité . Presse académique. ISBN 0-12-436603-1 .
- RWHowell, Spectres de rayonnement pour les radionucléides émetteurs d'électrons Auger: Rapport n ° 2 du Groupe de travail sur la médecine nucléaire de l'AAPM n ° 6, 1992, Physique médicale 19 (6), 1371-1383