التحويل الداخلي

التحويل الداخلي (يُختصر غالبًا بـ IC) هو عملية تحلل ذري تتفاعل فيها نواة مُثارة كهرومغناطيسيًا مع أحد إلكترونات مدار الذرة. يؤدي هذا التفاعل إلى انبعاث الإلكترون من الذرة. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وبالتالي، في التحويل الداخلي، ينبعث إلكترون عالي الطاقة من الذرة المُثارة، وليس من النواة. لهذا السبب، لا تُسمى الإلكترونات عالية السرعة الناتجة عن التحويل الداخلي بجسيمات بيتا ، لأن الأخيرة تنتج عن تحلل بيتا ، حيث تُخلق حديثًا في عملية التحلل النووي.

يُمكن حدوث التأين الداخلي (IC) كلما أمكن حدوث اضمحلال غاما ، باستثناء حالة تأين الذرة بالكامل . في التأين الداخلي، لا يتغير العدد الذري ، وبالتالي لا يحدث تحول من عنصر إلى آخر. كما أن النيوترينوات والقوة النووية الضعيفة لا تشارك في التأين الداخلي.

عندما يفقد الذرة إلكترونًا، يظهر فراغ في غلاف الإلكترونات، والذي يُملأ لاحقًا بإلكترونات أخرى تهبط إلى مستوى الطاقة الأدنى الفارغ، وتُصدر خلال هذه العملية أشعة سينية مميزة ، أو إلكترونات أوجيه ، أو كليهما. وهكذا، تُصدر الذرة إلكترونات عالية الطاقة وفوتونات أشعة سينية، لا ينشأ أي منها في النواة نفسها. تُوفر الذرة الطاقة اللازمة لطرد الإلكترون، الذي بدوره يُسبب الأحداث اللاحقة والانبعاثات الأخرى.

بما أن الإلكترونات الأولية الناتجة عن التحول الداخلي تحمل جزءًا ثابتًا (كبيرًا) من طاقة الاضمحلال المميزة، فإن لها طيف طاقة منفصل، بدلًا من الطيف الممتد (المتصل) المميز لجسيمات بيتا . فبينما يظهر طيف طاقة جسيمات بيتا على شكل حدبة عريضة، يظهر طيف طاقة الإلكترونات المتحولة داخليًا على شكل قمة حادة واحدة (انظر المثال أدناه).

في النموذج الكمي للإلكترون، توجد احتمالية غير صفرية لوجود الإلكترون داخل النواة. في عملية التحويل الداخلي، تخترق دالة الموجة لإلكترون من الغلاف الداخلي (عادةً إلكترون s ) النواة. عند حدوث ذلك، قد يقترن الإلكترون بحالة طاقة مثارة في النواة ويكتسب طاقة الانتقال النووي مباشرةً، دون إنتاج أشعة غاما وسيطة . الطاقة الحركية للإلكترون المنبعث تساوي طاقة الانتقال في النواة، مطروحًا منها طاقة ارتباط الإلكترون بالذرة.

تأتي معظم إلكترونات التحويل الداخلي من الغلاف K (الحالة 1s)، حيث أن هذين الإلكترونين هما الأكثر احتمالاً للتواجد داخل النواة. مع ذلك، فإن حالات s في الأغلفة L وM وN (أي الحالات 2s و3s و4s) قادرة أيضاً على التفاعل مع المجالات النووية والتسبب في انبعاث إلكترونات التحويل الداخلي من هذه الأغلفة (يُسمى التحويل الداخلي L أو M أو N). وقد تم إعداد نسب احتمالات التحويل الداخلي للغلاف K إلى احتمالات التحويل الداخلي للأغلفة L أو M أو N الأخرى لمختلف النوى. ^{[ 3 ]}

يجب تزويد هذا الإلكترون بكمية من الطاقة تتجاوز طاقة الربط الذري للإلكترون s من أجل طرده من الذرة لتحقيق التحويل الداخلي؛ أي أن التحويل الداخلي لا يمكن أن يحدث إذا كانت طاقة اضمحلال النواة أقل من عتبة معينة.

على الرغم من أن إلكترونات s هي الأكثر احتمالاً للتحول الداخلي نظرًا لقدرتها الفائقة على اختراق النواة مقارنةً بالإلكترونات ذات الزخم الزاوي المداري الأكبر، تُظهر الدراسات الطيفية أن إلكترونات p (من المدارات L وما فوقها) تُقذف أحيانًا في عملية التحول الداخلي. كما توجد بعض النويدات المشعة التي لا تكفي طاقة اضمحلالها لتحويل (قذف) إلكترون 1s (المدار K)، ولذا، لكي تتحلل هذه النويدات بالتحول الداخلي، يجب أن تتحلل بقذف إلكترونات من المدارات L أو M أو N (أي بقذف إلكترونات 2s أو 3s أو 4s) لأن طاقات الربط هذه أقل.

بعد انبعاث إلكترون IC، تبقى في الذرة فجوة في أحد أغلفة الإلكترونات، وعادةً ما تكون داخلية. تُملأ هذه الفجوة بإلكترون من أحد الأغلفة الأعلى، مما يؤدي بدوره إلى ملء مكانه بإلكترون خارجي آخر، مُحدثًا سلسلة من التفاعلات. ونتيجةً لذلك، ينبعث واحد أو أكثر من أشعة إكس المميزة أو إلكترونات أوجيه، بينما تتدفق الإلكترونات المتبقية في الذرة نزولًا لملء الفجوات.

يوضح مخطط الاضمحلال على اليسار أن نظير الزئبق ^{203 ينتج} طيف بيتا مستمرًا بطاقة قصوى تبلغ 214 كيلو إلكترون فولت، مما يؤدي إلى حالة مثارة للنواة الوليدة نظير الثاليوم ^203. وتتحلل هذه الحالة بسرعة كبيرة (خلال 2.8 × 10⁻¹⁰ ^ثانية  ) إلى الحالة الأرضية لنظير الثاليوم ²⁰³ ، مطلقةً كمية غاما تبلغ 279  كيلو إلكترون فولت.

يُظهر الشكل على اليمين طيف الإلكترونات لعنصر الزئبق ^-203 ، الذي تم قياسه باستخدام مطياف مغناطيسي . ويشمل هذا الطيف طيف بيتا المستمر وخطوط K وL وM الناتجة عن التحويل الداخلي. وبما أن طاقة ربط إلكترونات K في عنصر الثاليوم ^-203 تبلغ 85 كيلو إلكترون فولت، فإن طاقة خط K تساوي 194 كيلو إلكترون فولت (279 - 85). ونظرًا لانخفاض طاقات الربط، فإن خطي L وM لهما طاقات أعلى. وبسبب دقة الطاقة المحدودة للمطياف، تتخذ "الخطوط" شكلًا غاوسيًا بعرض محدود.

يُفضَّل التحويل الداخلي عندما تكون الطاقة المتاحة لانتقال غاما ضئيلة، وهو أيضًا النمط الأساسي لإزالة الإثارة في انتقالات 0+ → 0+ (أي E0). تحدث انتقالات 0+ ^→ 0+ ^{عندما تكون} النواة ^{المثارة} ذات عزم مغزلي صفري وتكافؤ موجب ، وتتحلل إلى حالة أرضية ذات عزم مغزلي صفري وتكافؤ موجب أيضًا (مثل جميع النوى التي تحتوي على عدد زوجي من البروتونات والنيوترونات). في مثل هذه الحالات، لا يمكن أن تتم إزالة الإثارة عن طريق انبعاث أشعة غاما، لأن ذلك سيخالف قانون حفظ الزخم الزاوي، وبالتالي يسود التحويل الداخلي (يُسمح بالانبعاث المتزامن لفوتونين، ويُلاحَظ في الانتقالات الذرية ذات الطاقة غير الكافية لإخراج إلكترون، لكن التحويل الداخلي أسرع). يُظهر هذا أيضًا أن التحويل الداخلي (على عكس اسمه) ليس عملية من خطوتين حيث يتم انبعاث أشعة غاما أولًا ثم تحويلها.

يتم تحديد التنافس بين التحويل الداخلي وتحلل غاما كميًا في شكل معامل التحويل الداخلي الذي يُعرَّف على النحو التالي:${\displaystyle \alpha =e/{\gamma }}$أين${\displaystyle e}$معدل تحويل الإلكترونات و${\displaystyle \gamma }$هو معدل انبعاث أشعة غاما المرصود من نواة متحللة. على سبيل المثال، في تحلل الحالة المثارة عند 35 كيلو إلكترون فولت لنظير التيلوريوم ^-125 (الذي ينتج عن تحلل اليود -125 ⁾ ، ينبعث من 7% من عمليات التحلل طاقة على شكل أشعة غاما، بينما ينبعث من 93% منها طاقة على شكل إلكترونات تحويل. لذلك، فإن هذه الحالة المثارة لنظير التيلوريوم ^-125يبلغ معامل IC الخاص بـ Te${\displaystyle \alpha =93/7=13.3}$.

مع ازدياد العدد الذري (Z) وانخفاض طاقة أشعة غاما، تزداد معاملات التحويل الداخلي. على سبيل المثال، يوضح الشكل معاملات التحويل الداخلي المحسوبة لانتقالات ثنائي القطب الكهربائي (E1)، عند Z = 40 و60 و80. ^{[ 4 ]}

تُعد طاقة أشعة غاما المنبعثة مقياسًا دقيقًا للفرق في الطاقة بين الحالات المثارة للنواة المتحللة. في حالة إلكترونات التحويل، يجب أيضًا مراعاة طاقة الربط: تُعطى طاقة إلكترون التحويل على النحو التالي:${\displaystyle E=(E_{i}-E_{f})-E_{B}}$، أين${\displaystyle E_{i}}$و${\displaystyle E_{f}}$تمثل طاقات النواة في حالتيها الابتدائية والنهائية على التوالي، بينما${\displaystyle E_{B}}$هي طاقة ربط الإلكترون.

لا تستطيع النوى ذات اللف المغزلي الصفري وطاقات الإثارة العالية (أكثر من 1.022 ميغا إلكترون فولت تقريبًا) التخلص من طاقتها عن طريق انبعاث أشعة غاما (أحادية) بسبب قيد حفظ الزخم، لكنها تمتلك طاقة اضمحلال كافية للاضمحلال عن طريق إنتاج أزواج من الجسيمات . ^{[ 5 ]} في هذا النوع من الاضمحلال، ينبعث إلكترون وبوزيترون من الذرة في الوقت نفسه، ويتم حل مسألة حفظ الزخم الزاوي بجعل هذين الجسيمين الناتجين يدوران في اتجاهين متعاكسين.

لا ينبغي الخلط بين التحويل الكهروضوئي والتأثير الكهروضوئي المشابه . فعندما يصطدم شعاع غاما المنبعث من نواة ذرة بذرة أخرى، قد يتم امتصاصه مُنتجًا إلكترونًا ضوئيًا ذا طاقة محددة (كان يُطلق على هذه الظاهرة سابقًا اسم "التحويل الخارجي"). أما في التحويل الكهروضوئي، فتحدث العملية داخل ذرة واحدة، ودون وجود شعاع غاما وسيط حقيقي.

كما قد تُنتج الذرة إلكترونًا من نوع IC بدلًا من أشعة غاما إذا توفرت الطاقة داخل النواة، فإنها قد تُنتج أيضًا إلكترونًا من نوع Auger بدلًا من أشعة سينية إذا كان أحد أغلفة الإلكترونات ذات الطاقة المنخفضة مفقودًا. (بل إن العملية الأولى قد تُؤدي إلى الثانية). ومثل إلكترونات IC، تمتلك إلكترونات Auger طاقة محددة، مما ينتج عنه ذروة طاقة حادة في الطيف.

تتضمن عملية أسر الإلكترون إلكترونًا من الغلاف الداخلي، والذي يُحتفظ به في النواة (مما يُغير العدد الذري) ويترك الذرة (وليس النواة) في حالة إثارة. يمكن للذرة التي تفتقر إلى إلكترون داخلي أن تسترخي عبر سلسلة من انبعاثات الأشعة السينية ، حيث تسقط إلكترونات ذات طاقة أعلى في الذرة لملء الفراغ الذي خلفه الإلكترون المأسور في السحابة الإلكترونية. تُظهر هذه الذرات عادةً انبعاث إلكترونات أوجيه. كما ينتج عن أسر الإلكترون، مثل تحلل بيتا، عادةً نوى ذرية مثارة، والتي قد تسترخي بعد ذلك إلى حالة أدنى طاقة نووية بأي من الطرق المسموح بها وفقًا لقيود الدوران المغزلي، بما في ذلك تحلل غاما وتحلل التحويل الداخلي.

• معامل التحويل الداخلي

• كرين، كينيث س. (1988). مقدمة في الفيزياء النووية . جون وايلي وأولاده. ISBN 0-471-80553-X.
• بيرتولاني، كارلوس أ. (2007). الفيزياء النووية باختصار . مطبعة جامعة برينستون. ISBN 978-0-691-12505-3.
• لانونزياتا، مايكل ف.؛ وآخرون  . (2003). دليل تحليل النشاط الإشعاعي . دار النشر الأكاديمية. ISBN 0-12-436603-1.
• RWHowell، أطياف الإشعاع للنويدات المشعة التي تبعث إلكترونات أوجيه: التقرير رقم 2 لفريق عمل الطب النووي رقم 6 التابع للجمعية الأمريكية لفيزياء الطب، 1992، الفيزياء الطبية 19(6)، 1371-1383

• هايبرفيزيكس