Conversión interna

La conversión interna es un proceso de desintegración atómica en el que un núcleo excitado interactúa electromagnéticamente con uno de los electrones orbitales de un átomo. Esto hace que el electrón sea emitido (expulsado) del átomo. ^{[1] [2]} Así, en la conversión interna (a menudo abreviada IC), se emite un electrón de alta energía desde el átomo excitado, pero no desde el núcleo. Por esta razón, los electrones de alta velocidad resultantes 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 IC es posible siempre que sea posible la desintegración gamma , excepto si el átomo está completamente ionizado . En la IC, el número atómico no cambia y, por lo tanto, no hay transmutación de un elemento en otro. Además, los neutrinos y la fuerza débil no intervienen en la IC.

Como se pierde un electrón del átomo, aparece un agujero en el aura electrónica que posteriormente se llena con otros electrones que descienden al nivel de energía vacío, pero inferior, y en el proceso emiten rayos X característicos , electrones Auger o ambos. El átomo emite así electrones de alta energía y fotones de rayos X, ninguno de los cuales se origina en ese núcleo. El átomo proporciona la energía necesaria para expulsar el electrón, que a su vez provoca estos últimos eventos y las otras emisiones.

Dado que los electrones primarios de los circuitos integrados tienen una parte fija (grande) de la energía de desintegración característica, tienen un espectro de energía discreto, en lugar del espectro disperso (continuo) característico de las partículas beta . Mientras que el espectro de energía de las partículas beta se representa como una joroba amplia, el espectro de energía de los electrones convertidos internamente se representa como un único pico agudo (véase el ejemplo siguiente).

En el modelo cuántico del electrón, existe una probabilidad distinta de cero de encontrar el electrón dentro del núcleo. En la conversión interna, la función de onda de un electrón de la capa interna (normalmente un electrón s ) penetra en el núcleo. Cuando esto sucede, el electrón puede acoplarse a un estado de energía excitado 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 con el átomo.

La mayoría de los electrones del 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 del IC desde esas capas (llamada conversión interna L o M o N). Se han preparado proporciones de las probabilidades de conversión interna de la capa K con respecto a otras capas L, M o N para varios nucleidos. ^[3]

Se debe suministrar a un electrón s una cantidad de energía que exceda la energía de enlace atómico para expulsarlo del átomo y producir una IC; es decir, no puede producirse una conversión interna si la energía de desintegración del núcleo es inferior a un cierto umbral.

Aunque los electrones s tienen más probabilidades de formar parte de la IC debido a su penetración nuclear superior en comparación con los electrones con mayor momento angular orbital, los estudios espectrales muestran que los electrones p (de las capas L y superiores) son expulsados ​​ocasionalmente en el proceso de IC. También 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.

Después de que se emite el electrón IC, el átomo queda con una vacante en una de sus capas electrónicas, generalmente una interna. Este hueco se llenará con un electrón de una de las capas superiores, lo que hace que otro electrón externo ocupe su lugar a su vez, lo que provoca una cascada. En consecuencia, se emitirán uno o más rayos X característicos o electrones Auger a medida que los electrones restantes en el átomo caigan en cascada para llenar las vacantes.

El esquema de desintegración de la izquierda muestra que ^{el 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 se desintegra muy rápidamente (en 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 electrónico del ²⁰³ Hg, medido mediante un espectrómetro magnético . Incluye el espectro beta continuo y las líneas K, L y M debidas a la conversión interna. Dado que la energía de enlace de los electrones K en el ²⁰³ Tl es de 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 energética finita del espectrómetro, las "líneas" tienen una forma gaussiana de ancho finito.

La conversión interna se favorece siempre que la energía disponible para una transición gamma sea pequeña, y también es el modo primario 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 se desintegra a un estado fundamental que también tiene espín cero y paridad positiva (como todos los nucleidos con un número par de protones y neutrones). En tales casos, la desexcitación no puede tener lugar por emisión de un rayo gamma, ya que esto violaría la conservación del momento angular, por lo tanto, predominan otros mecanismos como 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.

La competencia entre la desintegración IC y gamma se cuantifica en forma de coeficiente de conversión interna , que se define como donde es la tasa de electrones de conversión y es la tasa de emisión de rayos gamma observada desde un núcleo en desintegración. 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${\displaystyle \alpha =e/{\gamma }}$${\displaystyle e}$${\displaystyle \gamma }$¹²⁵
Te tiene un coeficiente IC de . ${\displaystyle \alpha =93/7=13.3}$

A medida que aumenta el número atómico (Z) y disminuye la energía de los rayos gamma, aumentan los coeficientes IC. Por ejemplo, los coeficientes IC calculados para las transiciones dipolares eléctricas (E1), para Z = 40, 60 y 80, se muestran en la figura. ^[4]

La energía del rayo gamma emitido es una medida precisa de la diferencia de energía entre los estados excitados del núcleo en desintegración. En el caso de los electrones de conversión, también debe tenerse en cuenta la energía de enlace: La energía de un electrón de conversión se expresa como , donde y son las energías del núcleo en sus estados inicial y final, respectivamente, mientras que es la energía de enlace del electrón. ${\displaystyle E=(E_{i}-E_{f})-E_{B}}$${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle E_{f}}$${\displaystyle E_{B}}$

Los núcleos con espín cero y energías de excitación altas (más de aproximadamente 1,022 MeV) tampoco pueden librarse de la energía mediante la emisión gamma (simple) debido a la restricción impuesta por la conservación del momento, pero sí tienen suficiente energía de desintegración para desintegrarse mediante la producción de pares . ^[5] En este tipo de desintegración, un electrón y un positrón se emiten desde el átomo al mismo tiempo, y la conservación del momento angular se resuelve haciendo que estas dos partículas de producto giren en direcciones opuestas.

La IC no debe confundirse con el efecto fotoeléctrico , que es similar . Cuando un rayo gamma emitido por el núcleo de un átomo choca con otro átomo, puede ser absorbido y producir un fotoelectrón de energía bien definida (esto solía llamarse "conversión externa"). En cambio, en la IC el proceso ocurre dentro de un átomo y sin un rayo gamma intermedio real.

De la misma manera que un átomo puede producir un electrón IC en lugar de un rayo gamma si dispone de energía en el interior del núcleo, un átomo puede producir un electrón Auger en lugar de un rayo X si falta un electrón en una de las capas electrónicas inferiores (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.

La captura de electrones también implica un electrón de la capa interna, que en este caso se retiene en el núcleo (cambiando el número atómico) y deja al átomo (no al núcleo) en un estado excitado. El átomo que carece de 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 la vacante dejada en la nube de electrones por el electrón capturado. Estos átomos también suelen presentar emisión de electrones Auger. La captura de electrones, como la desintegración beta, también suele dar lugar a 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 por conversión interna.

• Coeficiente de conversión interna

• Krane, Kenneth S. (1988). Introducción a la física nuclear . J. Wiley & Sons. ISBN 0-471-80553-X.
• Bertulani, Carlos A. (2007). Física nuclear en pocas palabras . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-12505-3.
• L'Annunziata, Michael F.; et al. (2003). Manual de análisis de radiactividad . Academic Press. ISBN 0-12-436603-1.
• RWHowell, Espectros de radiación de radionucleidos emisores de electrones Auger: Informe n.º 2 del Grupo de trabajo sobre medicina nuclear de la AAPM n.º 6, 1992, Física médica 19(6), 1371–1383

• Hiperfísica