Conversão interna - Internal conversion

A conversão interna é um processo de decaimento não radioativo em que um núcleo excitado interage eletromagneticamente com um dos elétrons orbitais do átomo. Isso faz com que o elétron seja emitido (ejetado) do átomo. Assim, em um processo de conversão interna, um elétron de alta energia é emitido do átomo radioativo, mas não do núcleo. Por esse motivo, os elétrons de alta velocidade resultantes da conversão interna não são chamados de partículas beta , uma vez que essas últimas vêm do decaimento beta , onde são novamente criados no processo de decaimento nuclear.

A conversão interna é possível sempre que o decaimento gama é possível, exceto no caso em que o átomo está totalmente ionizado . Durante a conversão interna, o número atômico não muda e, portanto (como é o caso com o decaimento gama), nenhuma transmutação de um elemento para outro ocorre.

Uma vez que um elétron é perdido do átomo, um buraco aparece em uma camada de elétrons que é posteriormente preenchido por outros elétrons que descem para aquele nível de energia inferior vazio e, no processo, emitem raios-X característicos , elétrons Auger (s) ), ou ambos. O átomo, portanto, emite elétrons de alta energia e fótons de raios X, nenhum dos quais se originam naquele núcleo. O átomo forneceu a energia necessária para ejetar o elétron, que por sua vez causou os últimos eventos e as outras emissões.

Como os elétrons primários da conversão interna carregam uma parte fixa (grande) da energia de decaimento característica, eles têm um espectro de energia discreto, em vez do espectro espalhado (contínuo) característico das partículas beta . Enquanto o espectro de energia das partículas beta é plotado como uma grande saliência, o espectro de energia dos elétrons convertidos internamente é plotado como um único pico agudo (veja o exemplo abaixo).

Mecanismo

No modelo da mecânica quântica do elétron, há uma probabilidade diferente de zero de encontrar o elétron dentro do núcleo. Durante o processo de conversão interna, diz-se que a função de onda de um elétron da camada interna (geralmente um elétron s ) penetra no volume do núcleo atômico . Quando isso acontece, o elétron pode se acoplar a um estado de energia excitado do núcleo e receber a energia da transição nuclear diretamente, sem que um raio gama intermediário seja produzido primeiro. A energia cinética do elétron emitido é igual à energia de transição no núcleo, menos a energia de ligação do elétron ao átomo.

A maioria dos elétrons de conversão interna (IC) vem da camada K (o estado 1s), pois esses dois elétrons têm a maior probabilidade de estar dentro do núcleo. No entanto, os estados s nas camadas L, M e N (ou seja, os estados 2s, 3s e 4s) também são capazes de se acoplar aos campos nucleares e causar ejeções de elétrons IC dessas camadas (chamadas L ou M ou N conversão interna). Foram preparadas razões de K-shell para outras probabilidades de conversão interna de shell L, M ou N para vários nuclídeos.

Uma quantidade de energia que excede a energia de ligação atômica do elétron s deve ser fornecida a esse elétron a fim de ejetá-lo do átomo para resultar em IC; isto é, a conversão interna não pode acontecer se a energia de decaimento do núcleo for menor que um certo limite. Existem alguns radionuclídeos em que a energia de decaimento não é suficiente para converter (ejetar) um elétron 1s (camada K), e esses nuclídeos, para decair por conversão interna, devem decair ao ejetar elétrons das camadas L ou M ou N ( ou seja, ejetando elétrons 2s, 3s ou 4s), pois essas energias de ligação são mais baixas.

Embora os elétrons s sejam mais prováveis ​​para processos IC devido à sua penetração nuclear superior em comparação com elétrons com momento angular orbital, estudos espectrais mostram que elétrons p (de camadas L e superiores) são ocasionalmente ejetados no processo IC.

Depois que o elétron IC foi emitido, o átomo fica com um vazio em uma de suas camadas de elétrons, geralmente uma interna. Este buraco será preenchido com um elétron de uma das camadas superiores, o que faz com que outro elétron externo preencha seu lugar, causando uma cascata. Conseqüentemente, um ou mais raios X característicos ou elétrons Auger serão emitidos conforme os elétrons restantes na cascata do átomo para preencher as lacunas.

Um exemplo: a decadência de 203 Hg

Esquema de decaimento de 203 Hg
Espectro de elétrons de 203 Hg, de acordo com Wapstra et al., Physica 20 (1954) 169

O esquema de decaimento à esquerda mostra que 203 Hg produz um espectro beta contínuo com energia máxima de 214 keV, que leva a um estado excitado do núcleo filho 203 Tl. Este estado decai muito rapidamente (dentro de 2,8 × 10-10  s) para o estado fundamental de 203 Tl, emitindo um quantum gama de 279 keV.

A figura à direita mostra o espectro de elétrons de 203 Hg, medido por meio de um espectrômetro magnético . Inclui o espectro beta contínuo e as linhas K, L e M devido à conversão interna. Como a energia de ligação dos elétrons K em 203 Tl chega a 85 keV, a linha K tem uma energia de 279 - 85 = 194 keV. Por causa de energias de ligação menores, as linhas L e M têm energias mais altas. Por causa da resolução de energia finita do espectrômetro, as "linhas" têm uma forma gaussiana de largura finita.

Quando o processo é esperado

A conversão interna (freqüentemente abreviada como IC) é favorecida sempre que a energia disponível para uma transição gama é pequena, e também é o modo primário de desexcitação para transições 0 + → 0 + (isto é, E0). As transições 0 + → 0 + ocorrem onde um núcleo excitado tem spin zero e paridade positiva e decai para um estado fundamental que também tem spin zero e paridade positiva (como todos os nuclídeos com números pares de prótons e nêutrons). Nesses casos, a desexcitação não pode ocorrer por meio da emissão de um raio gama, pois isso violaria a conservação do momento angular, portanto outros mecanismos como o IC predominam. Isso também mostra que a conversão interna (ao contrário do seu nome) não é um processo de duas etapas em que um raio gama seria primeiro emitido e depois convertido.

Coeficiente de conversão interno para transições E1 para Z = 40, 60 e 80 conforme tabelas de Sliv e Band, em função da energia de transição.

A competição entre a conversão interna e o decaimento gama é quantificada na forma do coeficiente de conversão interno, que é definido como onde é a taxa de conversão de elétrons e é a taxa de emissão de raios gama observada a partir de um núcleo em decadência. Por exemplo, no decaimento do estado excitado em 35 keV de 125 Te (que é produzido pelo decaimento de 125 I ), 7% dos decaimentos emitem energia como um raio gama, enquanto 93% liberam energia como elétrons de conversão. Portanto, este estado animado de 125
Te
tem um coeficiente de conversão interno de .

Para aumentar o número atômico (Z) e diminuir a energia dos raios gama, observa-se que os coeficientes de conversão internos aumentam. Como exemplo, os coeficientes de IC calculados para transições de dipolo elétrico (E1), para Z = 40, 60 e 80, são mostrados na figura.

A energia do raio gama emitido é uma medida precisa da diferença de energia entre os estados excitados do núcleo em decomposição. No caso de elétrons de conversão, a energia de ligação também deve ser levada em consideração: A energia de um elétron de conversão é dada como , onde e são as energias do núcleo em seus estados inicial e final, respectivamente, enquanto é a energia de ligação de o elétron.

Processos semelhantes

Os núcleos com spin zero e altas energias de excitação (mais de cerca de 1,022 MeV) também são incapazes de se livrar da energia por (única) emissão gama devido à restrição imposta pela conservação do momento, mas eles têm energia de decaimento suficiente para decair por produção de pares . Nesse tipo de decaimento, um elétron e um pósitron são ambos emitidos do átomo ao mesmo tempo, e a conservação do momento angular é resolvida fazendo com que essas duas partículas do produto girem em direções opostas.

O processo de conversão interna não deve ser confundido com o efeito fotoelétrico semelhante . Quando um raio gama emitido pelo núcleo de um átomo atinge um átomo diferente, ele pode ser absorvido produzindo um fotoelétron de energia bem definida (isso costumava ser chamado de "conversão externa"). Na conversão interna, entretanto, o processo acontece dentro de um átomo, e sem um raio gama intermediário real.

Assim como um átomo pode produzir um elétron de conversão interno no lugar de um raio gama se houver energia disponível de dentro do núcleo, um átomo pode produzir um elétron Auger no lugar de um raio-X se um elétron estiver faltando em um dos camadas de elétrons subjacentes. (O primeiro processo pode até precipitar o segundo.) Como os elétrons IC, os elétrons Auger têm uma energia discreta, resultando em um pico de energia acentuado no espectro.

O processo de captura de elétrons também envolve um elétron de camada interna, que neste caso é retido no núcleo (mudando o número atômico) e deixando o átomo (não o núcleo) em um estado excitado. O átomo sem um elétron interno pode relaxar por uma cascata de emissões de raios-X à medida que os elétrons de maior energia no átomo caem para preencher a lacuna deixada na nuvem de elétrons pelo elétron capturado. Esses átomos também exibem tipicamente emissão de elétrons Auger. A captura de elétrons, como o decaimento beta, também normalmente resulta em núcleos atômicos excitados, que podem então relaxar para um estado de energia nuclear mais baixa por qualquer um dos métodos permitidos pelas restrições de spin, incluindo decaimento gama e decaimento de conversão interna.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Krane, Kenneth S. (1988). Física Nuclear Introdutória . J. Wiley & Sons. ISBN   0-471-80553-X .
  • L'Annunziata, Michael F .; et al. (2003). Handbook of Radioactivity Analysis . Academic Press. ISBN   0-12-436603-1 .
  • RWHowell, espectro de radiação para radionuclídeos emissores de elétrons Auger: Relatório nº 2 do AAPM Nuclear Medicine Task Group nº 6, 1992, Medical Physics 19 (6), 1371-1383

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