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 son de nueva creación 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 IC, el número atómico no cambia y, por tanto, no hay transmutación de un elemento en otro. Además, los neutrinos y la fuerza débil no participan en la IC.
Dado que el átomo pierde un electrón, aparece un agujero en el aura del electrón que posteriormente se llena con otros electrones que descienden al nivel de energía vacío, aún más bajo, y en el proceso emiten rayos X característicos , electrones Auger ( s), o ambos. De este modo, el átomo emite electrones de alta energía y fotones de rayos X, ninguno de los cuales se origina en ese núcleo. El átomo suministra la energía necesaria para expulsar el electrón, lo que a su vez provoca estos últimos eventos y las demás emisiones.
Dado que los electrones primarios del IC transportan una parte fija (gran) de la energía de desintegración característica, tienen un espectro de energía discreto, en lugar del espectro extendido (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 (ver ejemplo a continuación).
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 (generalmente un electrón s ) penetra en el núcleo. Cuando esto sucede, el electrón puede acoplarse a un estado energético excitado del núcleo y tomar la energía de la transición nuclear directamente, sin que primero se produzca un rayo gamma intermedio. La energía cinética del electrón emitido es igual a la energía de transición en el núcleo, menos la energía de unión del electrón al átomo.
La mayoría de los electrones 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 provocar eyecciones de electrones IC desde esas capas (llamadas L o M o N). conversión interna). Se han preparado relaciones entre las probabilidades de conversión interna de la capa K y otras capas L, M o N para diversos nucleidos. [3]
Se debe suministrar a ese electrón una cantidad de energía que exceda la energía de enlace atómico del electrón s para expulsarlo del átomo y dar como resultado IC; es decir, la conversión interna no puede ocurrir si la energía de desintegración del núcleo es menor que un cierto umbral.
Aunque los electrones s son más propensos a ser 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 ocasionalmente expulsados en el proceso 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, M o N. (es decir, expulsando electrones 2s, 3s o 4s), ya que estas energías de enlace son menores.
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, provocando 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 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 decae 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 de 203 Hg, medido mediante un espectrómetro magnético . Incluye el espectro beta continuo y las líneas K, L y M debido a la conversión interna. Dado que la energía de enlace de los electrones K en 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 de energía 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 principal de desexcitación para transiciones 0 + →0 + (es decir, E0). Las transiciones 0 + →0 + ocurren cuando un núcleo excitado tiene espín cero y paridad positiva , y decae 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 mediante la emisión de un rayo gamma, ya que esto violaría la conservación del momento angular, por lo que predominan otros mecanismos como el IC. Esto también muestra que la conversión interna (contrariamente a su nombre) no es un proceso de dos pasos en el que primero se emite un rayo gamma y luego se convierte.
La competencia entre el CI y la desintegración gamma se cuantifica en forma de coeficiente de conversión interna , que se define como dónde está la tasa de conversión de electrones y es la tasa de emisión de rayos gamma observada desde un núcleo en descomposición. Por ejemplo, en la desintegración del estado excitado a 35 keV del 125 Te (que se produce por la desintegración del 125 I ), el 7% de las desintegraciones emiten energía en forma de rayos gamma, mientras que el 93% libera energía en forma de electrones de conversión. Por lo tanto, este estado excitado de125
Te tiene un coeficiente IC de .
Al aumentar el número atómico (Z) y disminuir la energía de los rayos gamma, los coeficientes IC aumentan. Por ejemplo, en la figura se muestran los coeficientes IC calculados para transiciones de dipolo eléctrico (E1), para Z = 40, 60 y 80. [4]
La energía del rayo gamma emitido es una medida precisa de la diferencia de energía entre los estados excitados del núcleo en descomposición. En el caso de los electrones de conversión, también se debe tener en cuenta la energía de enlace: La energía de un electrón de conversión viene dada como , donde y son las energías del núcleo en sus estados inicial y final, respectivamente, mientras que es la energía de enlace de el electrón.
Los núcleos con espín cero y altas energías de excitación (más de aproximadamente 1,022 MeV) tampoco pueden deshacerse de la energía mediante (única) emisión gamma debido a la restricción impuesta por la conservación del impulso, pero sí tienen suficiente energía de desintegración para desintegrarse por producción de pares . [5] En este tipo de desintegración, un electrón y un positrón son emitidos por el átomo al mismo tiempo, y la conservación del momento angular se resuelve haciendo que estas dos partículas producto giren en direcciones opuestas.
IC no debe confundirse con el efecto fotoeléctrico similar . Cuando un rayo gamma emitido por el núcleo de un átomo incide en otro átomo, puede ser absorbido produciendo un fotoelectrón de energía bien definida (esto solía llamarse "conversión externa"). En el IC, sin embargo, el proceso ocurre dentro de un átomo y sin un rayo gamma intermedio real.
Así como un átomo puede producir un electrón IC en lugar de un rayo gamma si hay energía disponible dentro del núcleo, un átomo puede producir un electrón Auger en lugar de un rayo X si falta un electrón en uno de los electrones de baja energía. capas de electrones mentirosos. (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 capa interna, que en este caso se retiene en el núcleo (cambiando el número atómico) y dejando el átomo (no el núcleo) en un estado excitado. El átomo al que le falta un electrón interno puede relajarse mediante una cascada de emisiones de rayos X a medida que los electrones de mayor energía del átomo caen para llenar la vacante dejada en la nube de electrones por el electrón capturado. Estos átomos también suelen exhibir emisión de electrones Auger. La captura de electrones, como la desintegración beta, también suele dar como resultado núcleos atómicos excitados, que luego pueden relajarse hasta 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.
