Strona głównaPytania → Konwersja wewnętrzna

Konwersja wewnętrzna

Pytanie

Pyta Paweł Janowski

Skąd wiemy, że podczas konwersji wewnętrznej energia wzbudzenia jądra atomowego zostaje przekazana bezpośrednio elektronowi na powłoce atomu? Jakie fakty doświadczalne za tym przemawiają?

Odpowiedź

Odpowiada prof. Marek Pfutzner

Wzbudzone jądro atomowe może spontanicznie obniżyć swoją energię wzbudzenia przechodząc do stanu mniej wzbudzonego, poprzez emisję kwantu promieniowania elektromagnetycznego (fotonu). Promieniowanie takie nosi nazwę gamma. Emisja fotonu gamma jest powszechnym i najbardziej znanym sposobem deekscytacji stanów jądrowych. W normalnych atomach, w których jądro atomowe otoczone jest powłokami elektronowymi, możliwy jest także inny mechanizm: przekazanie energii przejścia między dwoma stanami jądrowymi bezpośrednio jednemu z elektronów orbitalnych. W procesie takim, zwanym konwersją wewnętrzną, elektron jest wyrzucany z atomu z bardzo dobrze określoną energią równą energii przejścia jądrowego pomniejszoną o energię wiązania tego elektronu w atomie. Energię zarówno fotonów gamma, jak i elektronów konwersji wewnętrznej, mierzy się stosunkowo dokładnie za pomocą wyspecjalizowanych detektorów – jest to przedmiot spektroskopii jądrowej. Ponieważ energie wiązania elektronów w atomach są dobrze znane, łatwo można określić, z jakiej powłoki elektron został wyrzucony.

Zjawisko konwersji wewnętrznej (jak i promieniowanie gamma) jest przejawem oddziaływań elektromagnetycznych. Przekazanie energii elektronowi zachodzi wewnątrz jądra atomowego i odbywa się za pośrednictwem tzw. fotonów wirtualnych (nierzeczywistych), w odróżnieniu od fotonów rzeczywistych wysyłanych poza jądro jako promieniowanie gamma. Doświadczalnie można się o tym przekonać badając jak prawdopodobieństwo konwersji wewnętrznej zależy od powłoki atomowej. Okazuje się, że najłatwiej konwertowane są elektrony z powłoki K, ponieważ mają one największe prawdopodobieństwo znalezienia się w obszarze jądra. Co więcej, mierzone w doświadczeniu intensywności elektronów konwersji wyrzucanych z różnych powłok doskonale odpowiadają prawdopodobieństwom znalezienia elektronów z tych powłok wewnątrz jądra, przewidywanym przez mechanikę kwantową.

O tym, że w konwersji wewnętrznej nie bierze udziału rzeczywisty foton, świadczy też pewien przypadek szczególny. Każdy stan jądrowy scharakteryzowany jest przez wartość wewnętrznego momentu pędu, nazywanego spinem. W pewnych przejściach jądrowych wartość spinu zarówno w stanie początkowym jak i w stanie końcowym wynosi zero. Każdy foton także ma określoną wartość spinu, nigdy jednak nie może być ona równa zeru. Z powszechnie obowiązującej zasady zachowania momentu pędu wynika zatem, że podczas przejścia jądrowego między stanami o spinie zero, emisja fotonu gamma jest ściśle zabroniona! Zjawisko konwersji wewnętrznej może natomiast zachodzić bez przeszkód. W takich przypadkach rzeczywiście nie obserwuje się fotonów gamma, a obserwuje się emisję elektronów konwersji.

Warto dodać, że prawdopodobieństwo konwersji silnie zależy od różnicy spinów między stanami jądrowymi. Elektrony konwersji niosą przeto informację nie tylko o energii przejścia jądrowego, ale także o zmianie jego momentu pędu. Z tego powodu konwersja wewnętrzna jest bardzo ważnym narzędziem badania struktury jądrowej.