Гамма-излучение и внутренняя конверсия

При ядерных реакциях, радиоактивных распадах или при взаимодействии с элементарными частицами ядро может быть приведено во возбуждённое состояние, обладающее избыточной энергией по сравнению с основным (основным называется состояние с наименьшей энергией). Эти возбуждённые состояния, как правило, крайне неустойчивы и стремятся перейти в более низкоэнергетические уровни с испусканием энергии в виде гамма-квантов или за счёт внутренней конверсии.

Спектр возбуждённых состояний ядра дискретен и характеризуется квантовыми числами: спином, чётностью и энергией. Переходы между уровнями подчиняются строгим правилам отбора, определяемым законами сохранения энергии, импульса и момента.

Гамма-переходы

Гамма-излучение представляет собой электромагнитные волны высокой энергии (в диапазоне от сотен кэВ до нескольких МэВ), возникающие при переходе ядра из возбужденного состояния в более низкое.

Характеристики гамма-квантов:

Энергия — определяется разностью энергий между начальными и конечными уровнями;
Мультиполярность — гамма-переход может быть электрическим (Eλ) или магнитным (Mλ), где λ — мультипольный порядок (например, дипольный, квадрупольный и т.д.);
Вероятность перехода — зависит от мультиполярности, энергии и структуры участвующих уровней;
Время жизни возбуждённого состояния — от фемтосекунд до миллисекунд и более, определяется вероятностью излучения.

Механизм гамма-перехода

Гамма-переход — это процесс испускания фотона ядром без изменения его состава. При этом соблюдается закон сохранения энергии (энергия возбуждения превращается в энергию гамма-кванта), а также импульса и момента.

Типичный гамма-переход описывается как мультипольное излучение. Электрические (Eλ) и магнитные (Mλ) переходы различаются по характеру взаимодействий, вызывающих излучение: электрические связаны с движением зарядов, магнитные — с циркуляцией токов, включая спины нуклонов.

Правила отбора для гамма-переходов

При гамма-излучении ядро не изменяет своего состава, однако могут изменяться его квантовые характеристики. Ограничения на переходы накладываются следующими правилами:

Изменение спина: ΔI = |I₁ − I₂| = λ, λ ± 1 (но I ≠ 0 ↔︎ I = 0 запрещено для дипольных переходов)
Чётность:
- Для электрических переходов Eλ — чётность меняется при нечётном λ: π₂ = (−1)^λ × π₁
- Для магнитных переходов Mλ — чётность сохраняется: π₂ = (−1)^{λ+1} × π₁
Чем выше порядок λ, тем менее вероятен переход.

Переходы с наиболее низким порядком (E1, M1) — наиболее вероятны, в то время как высокомультипольные переходы подавлены.

Замедленные гамма-переходы и изомерные состояния

Если переход между уровнями сильно запрещён (например, при большом изменении спина или нарушении чётности), вероятность излучения уменьшается, и возбуждённое состояние может существовать относительно долго. Такие состояния называют ядерными изомерами, а переходы между ними — изомерными переходами. Время жизни изомеров может достигать секунд, часов и даже лет (пример: ^99mTc, ^180mTa).

Внутренняя конверсия

Альтернативным способом снятия возбуждения ядра является внутренняя конверсия — процесс, при котором избыточная энергия возбуждённого ядра передаётся одному из внутренних электронов атома, в результате чего тот покидает атом.

Суть процесса

Внутренняя конверсия не является радиоактивным распадом и не сопровождается испусканием гамма-кванта. Вместо этого:

Ядро переходит на более низкий энергетический уровень.
Возникает электромагнитное поле, взаимодействующее с электронным облаком.
Один из электронов (обычно с K- или L-оболочек) поглощает эту энергию и покидает атом с кинетической энергией: T = E_γ − E_b, где E_γ — энергия перехода, E_b — энергия связи электрона в атоме.

Коэффициент внутренней конверсии

Вероятность внутренней конверсии выражается через коэффициент внутренней конверсии:

α = λ_ИК / λ_γ

где λ_ИК — вероятность внутренней конверсии, λ_γ — вероятность гамма-излучения.

Этот коэффициент зависит от:

энергии перехода,
заряда ядра Z (для тяжелых ядер вероятность конверсии выше),
мультиполярности перехода.

При высоких энергиях и малых Z преобладает гамма-излучение. При низких энергиях и больших Z внутренняя конверсия может доминировать.

Фотоэлектронные спектры

Энергия конверсионных электронов дискретна и соответствует разнице между энергией перехода и энергией связи соответствующего электрона. Это приводит к спектру узких линий, соответствующих K-, L-, M-конверсионным электронам. Анализ этого спектра позволяет определять энергетическую структуру уровней ядра и энергии электронных оболочек.

Связанные явления: ауже-электроны и характеристическое рентгеновское излучение

Освобождение внутреннего уровня электрона при внутренней конверсии приводит к образованию вакансии в оболочке атома. Она заполняется с переходом электрона с внешней оболочки, при этом:

Излучается характеристическое рентгеновское излучение,
Либо испускается ауже-электрон (без излучения фотона).

Таким образом, внутренняя конверсия инициирует каскадные процессы в электронной оболочке, которые могут быть экспериментально зарегистрированы.

Примеры и применение

В медицинской диагностике применяется изомер ^99mTc, испускающий гамма-кванты с энергией ~140 кэВ с высокой вероятностью, что идеально для гамма-томографии.
В ядерной спектроскопии широко используется анализ конверсионных электронов для уточнения структуры уровней ядер.
Гамма-излучение служит важным источником информации о конфигурации ядерных состояний и их переходах.
Измерения коэффициентов конверсии позволяют определять мультиполярность переходов и чётность состояний.

Особенности конкуренции процессов

Гамма-излучение и внутренняя конверсия взаимоисключающие процессы: при каждом акте перехода реализуется только один из них. Общая вероятность перехода:

λ = λ_γ + λ_ИК = λ_γ (1 + α)

При анализе распада возбужденных состояний важно учитывать конкуренцию этих процессов, особенно для тяжёлых элементов и низкоэнергетических переходов.

Методы регистрации

Гамма-кванты регистрируются с помощью сцинтилляционных, полупроводниковых и пропорциональных детекторов.
Конверсионные электроны — с помощью магнитных спектрометров, счётчиков Гейгера или детекторов с высоким энергетическим разрешением.
Совместный анализ спектров гамма-излучения и конверсионных электронов даёт наиболее полную информацию о ядерных уровнях и переходах.

Энергетическая и временная структура переходов

Энергия гамма-квантов даёт точное значение разности уровней, а измерение ширины уровня (через время жизни) позволяет оценить вероятность перехода. Ширина уровня Γ связана с временем жизни τ как:

Γ = ħ / τ

Таким образом, комбинируя данные по энергии, ширине и коэффициентам конверсии, можно полностью охарактеризовать гамма-переход.