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 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 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 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 Тройная гелиевая реакция Гелиевая вспышка Ядерное горение углерода Углеродная детонация Ядерное горение неона Ядерное горение кремния Нейтронный захват r-процесс s-процесс Захват протонов: p-процесс rp-процесс Нейтронизация Реакции скалывания

Эта статья — о ядерном процессе. О фотохимическом процессе см. Внутренняя конверсия (химия).

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 1s). 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:

<math>\alpha = \frac{\mathrm{N_e}}{\mathrm{N_{\gamma}}} = {\alpha}_K + {\alpha}_L + {\alpha}_M + ...</math>

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). 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 > 2m_ec = 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

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.

Отрывок, характеризующий Внутренняя конверсия

– Молчи, молчи. – Князь захлопал рукой по столу. – Да! Знаю, письмо князя Андрея. Княжна Марья читала. Десаль что то про Витебск говорил. Теперь прочту.
Он велел достать письмо из кармана и придвинуть к кровати столик с лимонадом и витушкой – восковой свечкой и, надев очки, стал читать. Тут только в тишине ночи, при слабом свете из под зеленого колпака, он, прочтя письмо, в первый раз на мгновение понял его значение.
«Французы в Витебске, через четыре перехода они могут быть у Смоленска; может, они уже там».
– Тишка! – Тихон вскочил. – Нет, не надо, не надо! – прокричал он.
Он спрятал письмо под подсвечник и закрыл глаза. И ему представился Дунай, светлый полдень, камыши, русский лагерь, и он входит, он, молодой генерал, без одной морщины на лице, бодрый, веселый, румяный, в расписной шатер Потемкина, и жгучее чувство зависти к любимцу, столь же сильное, как и тогда, волнует его. И он вспоминает все те слова, которые сказаны были тогда при первом Свидании с Потемкиным. И ему представляется с желтизною в жирном лице невысокая, толстая женщина – матушка императрица, ее улыбки, слова, когда она в первый раз, обласкав, приняла его, и вспоминается ее же лицо на катафалке и то столкновение с Зубовым, которое было тогда при ее гробе за право подходить к ее руке.
«Ах, скорее, скорее вернуться к тому времени, и чтобы теперешнее все кончилось поскорее, поскорее, чтобы оставили они меня в покое!»


Лысые Горы, именье князя Николая Андреича Болконского, находились в шестидесяти верстах от Смоленска, позади его, и в трех верстах от Московской дороги.
В тот же вечер, как князь отдавал приказания Алпатычу, Десаль, потребовав у княжны Марьи свидания, сообщил ей, что так как князь не совсем здоров и не принимает никаких мер для своей безопасности, а по письму князя Андрея видно, что пребывание в Лысых Горах небезопасно, то он почтительно советует ей самой написать с Алпатычем письмо к начальнику губернии в Смоленск с просьбой уведомить ее о положении дел и о мере опасности, которой подвергаются Лысые Горы. Десаль написал для княжны Марьи письмо к губернатору, которое она подписала, и письмо это было отдано Алпатычу с приказанием подать его губернатору и, в случае опасности, возвратиться как можно скорее.
Получив все приказания, Алпатыч, провожаемый домашними, в белой пуховой шляпе (княжеский подарок), с палкой, так же как князь, вышел садиться в кожаную кибиточку, заложенную тройкой сытых саврасых.
Колокольчик был подвязан, и бубенчики заложены бумажками. Князь никому не позволял в Лысых Горах ездить с колокольчиком. Но Алпатыч любил колокольчики и бубенчики в дальней дороге. Придворные Алпатыча, земский, конторщик, кухарка – черная, белая, две старухи, мальчик казачок, кучера и разные дворовые провожали его.
Дочь укладывала за спину и под него ситцевые пуховые подушки. Свояченица старушка тайком сунула узелок. Один из кучеров подсадил его под руку.
– Ну, ну, бабьи сборы! Бабы, бабы! – пыхтя, проговорил скороговоркой Алпатыч точно так, как говорил князь, и сел в кибиточку. Отдав последние приказания о работах земскому и в этом уж не подражая князю, Алпатыч снял с лысой головы шляпу и перекрестился троекратно.
– Вы, ежели что… вы вернитесь, Яков Алпатыч; ради Христа, нас пожалей, – прокричала ему жена, намекавшая на слухи о войне и неприятеле.
– Бабы, бабы, бабьи сборы, – проговорил Алпатыч про себя и поехал, оглядывая вокруг себя поля, где с пожелтевшей рожью, где с густым, еще зеленым овсом, где еще черные, которые только начинали двоить. Алпатыч ехал, любуясь на редкостный урожай ярового в нынешнем году, приглядываясь к полоскам ржаных пелей, на которых кое где начинали зажинать, и делал свои хозяйственные соображения о посеве и уборке и о том, не забыто ли какое княжеское приказание.
Два раза покормив дорогой, к вечеру 4 го августа Алпатыч приехал в город.
По дороге Алпатыч встречал и обгонял обозы и войска. Подъезжая к Смоленску, он слышал дальние выстрелы, но звуки эти не поразили его. Сильнее всего поразило его то, что, приближаясь к Смоленску, он видел прекрасное поле овса, которое какие то солдаты косили, очевидно, на корм и по которому стояли лагерем; это обстоятельство поразило Алпатыча, но он скоро забыл его, думая о своем деле.
Все интересы жизни Алпатыча уже более тридцати лет были ограничены одной волей князя, и он никогда не выходил из этого круга. Все, что не касалось до исполнения приказаний князя, не только не интересовало его, но не существовало для Алпатыча.
Алпатыч, приехав вечером 4 го августа в Смоленск, остановился за Днепром, в Гаченском предместье, на постоялом дворе, у дворника Ферапонтова, у которого он уже тридцать лет имел привычку останавливаться. Ферапонтов двенадцать лет тому назад, с легкой руки Алпатыча, купив рощу у князя, начал торговать и теперь имел дом, постоялый двор и мучную лавку в губернии. Ферапонтов был толстый, черный, красный сорокалетний мужик, с толстыми губами, с толстой шишкой носом, такими же шишками над черными, нахмуренными бровями и толстым брюхом.
Ферапонтов, в жилете, в ситцевой рубахе, стоял у лавки, выходившей на улицу. Увидав Алпатыча, он подошел к нему.
– Добро пожаловать, Яков Алпатыч. Народ из города, а ты в город, – сказал хозяин.
– Что ж так, из города? – сказал Алпатыч.
– И я говорю, – народ глуп. Всё француза боятся.
– Бабьи толки, бабьи толки! – проговорил Алпатыч.
– Так то и я сужу, Яков Алпатыч. Я говорю, приказ есть, что не пустят его, – значит, верно. Да и мужики по три рубля с подводы просят – креста на них нет!
Яков Алпатыч невнимательно слушал. Он потребовал самовар и сена лошадям и, напившись чаю, лег спать.
Всю ночь мимо постоялого двора двигались на улице войска. На другой день Алпатыч надел камзол, который он надевал только в городе, и пошел по делам. Утро было солнечное, и с восьми часов было уже жарко. Дорогой день для уборки хлеба, как думал Алпатыч. За городом с раннего утра слышались выстрелы.
С восьми часов к ружейным выстрелам присоединилась пушечная пальба. На улицах было много народу, куда то спешащего, много солдат, но так же, как и всегда, ездили извозчики, купцы стояли у лавок и в церквах шла служба. Алпатыч прошел в лавки, в присутственные места, на почту и к губернатору. В присутственных местах, в лавках, на почте все говорили о войске, о неприятеле, который уже напал на город; все спрашивали друг друга, что делать, и все старались успокоивать друг друга.
У дома губернатора Алпатыч нашел большое количество народа, казаков и дорожный экипаж, принадлежавший губернатору. На крыльце Яков Алпатыч встретил двух господ дворян, из которых одного он знал. Знакомый ему дворянин, бывший исправник, говорил с жаром.
– Ведь это не шутки шутить, – говорил он. – Хорошо, кто один. Одна голова и бедна – так одна, а то ведь тринадцать человек семьи, да все имущество… Довели, что пропадать всем, что ж это за начальство после этого?.. Эх, перевешал бы разбойников…
– Да ну, будет, – говорил другой.
– А мне что за дело, пускай слышит! Что ж, мы не собаки, – сказал бывший исправник и, оглянувшись, увидал Алпатыча.
– А, Яков Алпатыч, ты зачем?
– По приказанию его сиятельства, к господину губернатору, – отвечал Алпатыч, гордо поднимая голову и закладывая руку за пазуху, что он делал всегда, когда упоминал о князе… – Изволили приказать осведомиться о положении дел, – сказал он.
– Да вот и узнавай, – прокричал помещик, – довели, что ни подвод, ничего!.. Вот она, слышишь? – сказал он, указывая на ту сторону, откуда слышались выстрелы.
– Довели, что погибать всем… разбойники! – опять проговорил он и сошел с крыльца.
Алпатыч покачал головой и пошел на лестницу. В приемной были купцы, женщины, чиновники, молча переглядывавшиеся между собой. Дверь кабинета отворилась, все встали с мест и подвинулись вперед. Из двери выбежал чиновник, поговорил что то с купцом, кликнул за собой толстого чиновника с крестом на шее и скрылся опять в дверь, видимо, избегая всех обращенных к нему взглядов и вопросов. Алпатыч продвинулся вперед и при следующем выходе чиновника, заложив руку зазастегнутый сюртук, обратился к чиновнику, подавая ему два письма.
– Господину барону Ашу от генерала аншефа князя Болконского, – провозгласил он так торжественно и значительно, что чиновник обратился к нему и взял его письмо. Через несколько минут губернатор принял Алпатыча и поспешно сказал ему:
– Доложи князю и княжне, что мне ничего не известно было: я поступал по высшим приказаниям – вот…