Conversión interna

La conversión interna (a menudo abreviada como CI) es un proceso de desintegración atómica en el que un núcleo excitado interactúa electromagnéticamente con uno de los electrones orbitales de un átomo. Esto provoca la emisión (expulsión) del electrón del átomo. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Por lo tanto, en la conversión interna, 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 en el proceso de desintegración nuclear.

La conversión interna (CI) es posible siempre que la desintegración gamma sea posible, excepto si el átomo está completamente ionizado . En la CI, el número atómico no cambia, por lo que no hay transmutación de un elemento en otro. Además, los neutrinos y la fuerza débil no intervienen en la CI.

Cuando un electrón se desprende del átomo, aparece un hueco en el aura electrónica que posteriormente se llena con otros electrones que descienden al nivel de energía inferior, y en el proceso emiten rayos X característicos , electrones Auger o ambos. De este modo, el átomo emite electrones de alta energía y fotones de rayos X, ninguno de los cuales se origina en su núcleo. El átomo proporciona la energía necesaria para expulsar el electrón, lo que a su vez provoca estos eventos y las demás emisiones.

Dado que los electrones primarios de la conversión interna transportan una parte fija (y considerable) de la energía de desintegración característica, presentan un espectro de energía discreto, en lugar del espectro continuo (disperso) característico de las partículas beta . Mientras que el espectro de energía de las partículas beta se representa como una joroba ancha, el espectro de energía de los electrones convertidos internamente se representa como un único pico agudo (véase el ejemplo a continuación).

En el modelo cuántico del electrón, existe una probabilidad no nula de encontrarlo 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 ocurre, el electrón puede acoplarse a un estado de energía excitado del núcleo y absorber directamente la energía de la transición nuclear, 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 de conversión interna (CI) provienen de la capa K (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 la eyección de electrones de CI desde esas capas (denominada conversión interna L, M o N). Se han elaborado cocientes de probabilidades de conversión interna de la capa K con respecto a las demás capas L, M o N para diversos nucleidos. ^{[ 3 ]}

Para que se produzca la conversión interna (CI), se debe suministrar a ese electrón una cantidad de energía que supere la energía de enlace atómico del electrón s; es decir, la conversión interna no puede ocurrir si la energía de desintegración del núcleo es inferior a un cierto umbral.

Aunque los electrones s son más propensos a la conversión interna debido a su mayor penetración nuclear en comparación con los electrones con mayor momento angular orbital, los estudios espectrales muestran que los electrones p (de las capas L y superiores) se expulsan ocasionalmente en el proceso de conversión interna. También existen algunos radionúclidos 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.

Tras la emisión del electrón IC, el átomo queda con una vacante en una de sus capas electrónicas, generalmente una interna. Esta vacante se llenará con un electrón de una capa superior, lo que a su vez provoca que otro electrón externo ocupe su lugar, generando una reacción en cadena. En consecuencia, se emitirán uno o más rayos X característicos o electrones Auger a medida que los electrones restantes en el átomo descienden 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 del ²⁰³ Tl, emitiendo un cuanto gamma de 279  keV.

La figura de la derecha muestra el espectro electrónico del ^203Hg , 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 ^203Tl es de 85 keV, la línea K tiene una energía de 279 − 85 = 194 keV. Debido a sus menores energías de enlace, las líneas L y M tienen energías más altas. Debido a la resolución energética finita del espectrómetro, las "líneas" tienen forma gaussiana de ancho finito.

La conversión interna se favorece cuando la energía disponible para una transición gamma es pequeña, y también es el modo principal 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 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 predomina la conversión interna (la emisión simultánea de dos fotones está permitida y se observa para transiciones atómicas con energía insuficiente para expulsar un electrón, pero la conversión interna es más rápida). Esto también muestra que la conversión interna (contrariamente a su nombre) no es un proceso de dos pasos donde primero se emitiría un rayo gamma y luego se convertiría.

La competencia entre la conversión interna y la desintegración gamma se cuantifica en forma del coeficiente de conversión interna que se define como${\displaystyle \alpha =e/{\gamma }}$dónde${\displaystyle e}$es la tasa de conversión de electrones y${\displaystyle \gamma }$es la tasa de emisión de rayos gamma observada en un núcleo en desintegración. Por ejemplo, en la desintegración del estado excitado a 35 keV del ^125Te (que se produce por la desintegración del ^125I ) , el 7% de las desintegraciones emiten energía como un rayo gamma, mientras que el 93% liberan energía como electrones de conversión. Por lo tanto, este estado excitado del ¹²⁵El Te tiene un coeficiente IC de${\displaystyle \alpha =93/7=13.3}$.

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 las 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 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 viene dada por${\ Displaystyle E = (E_ {i} -E_ {f}) -E_ {B}}$, dónde${\displaystyle E_{i}}$y${\displaystyle E_{f}}$son las energías del núcleo en sus estados inicial y final, respectivamente, mientras que${\displaystyle E_{B}}$es la energía de enlace del electrón.

Los núcleos con espín cero y altas energías de excitación (más de aproximadamente 1,022 MeV) tampoco pueden deshacerse de su energía mediante la emisión gamma (única) 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 son emitidos del átomo al mismo tiempo, y la conservación del momento angular se resuelve haciendo que estas dos partículas producto giren en direcciones opuestas.

La conversión interna no debe confundirse con el efecto fotoeléctrico, que es similar . Cuando un rayo gamma emitido por el núcleo de un átomo incide sobre otro, puede ser absorbido, produciendo un fotoelectrón de energía bien definida (lo que antes se denominaba "conversión externa"). En cambio, en la conversión interna, el proceso ocurre dentro de un mismo átomo y sin un rayo gamma intermedio real.

Así como un átomo puede producir un electrón IC en lugar de un rayo gamma si dispone de energía en su núcleo, también puede producir un electrón Auger en lugar de un rayo X si le falta un electrón en una de las capas electrónicas de baja energía. (El primer proceso incluso puede desencadenar el segundo). Al igual que los electrones IC, los electrones Auger tienen una energía discreta, lo que se traduce en un pico de energía pronunciado en el espectro.

La captura electrónica 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 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 electrónica por el electrón capturado. Estos átomos también suelen presentar emisión de electrones Auger. La captura electrónica, al igual que la desintegración beta, también suele dar lugar a núcleos atómicos excitados, que luego pueden relajarse a un estado de energía nuclear mínima mediante cualquiera de los métodos permitidos por las restricciones de espín, incluyendo la desintegración gamma y la desintegración por conversión interna.

• coeficiente de conversión interna

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• RWHowell, Espectros de radiación para radionúclidos emisores de electrones Auger: Informe n.° 2 del Grupo de Trabajo n.° 6 de Medicina Nuclear de la AAPM, 1992, Medical Physics 19(6), 1371–1383

• Hiperfísica