Innere Konversion

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Dieser Artikel behandelt die kernphysikalische Zerfallsart. Zum photochemischen Effekt siehe innere Umwandlung.

Als innere Konversion (engl. internal conversion, IC) wird in der Physik ein besonderer Fall der Radioaktivität bezeichnet, der mit dem Gammazerfall verwandt ist. Die Energie, die beim Übergang des Atomkerns in einen niedrigeren Anregungszustand frei wird, geht dabei durch direkte elektromagnetische Wechselwirkung auf ein Hüllenelektron (das "Konversionselektron") über. Das Elektron wird dadurch aus dem Atom ausgestoßen, und das Atom bleibt als positiv geladenes Ion zurück.

Art der Wechselwirkung[Bearbeiten]

Es handelt sich bei der inneren Konversion nicht um einen zweistufigen Vorgang, bei dem der Kern zunächst ein Gammaquant abstrahlt und dieses anschließend durch Stoß die Energie an ein Hüllenelektron weitergibt. Das zeigt sich experimentell darin, dass Konversionselektronen auch bei Übergängen beobachtet werden, bei denen wegen der Drehimpulserhaltung Gamma-Emission nicht möglich ("verboten") ist. Beispiele sind die doppelt magischen Nuklide Sauerstoff-16 und Calcium-40, bei denen der erste angeregte Zustand ebenso wie der Grundzustand den Kernspin Null und positive Parität hat, so dass kein Gammaquant emittiert werden kann.[1]

Energiespektrum der Konversionselektronen[Bearbeiten]

Die kinetische Energie Ee des emittierten Konversionselektrons ist die Differenz aus der im Kern frei werdenden Energie Eγ und der je nach Schale verschiedenen Bindungsenergie EB des Elektrons:

E_\mathrm{e} = E_\gamma - E_\mathrm{B}

Die Konversionselektronen zeigen somit, anders als Elektronen aus dem Betazerfall, ein Linienspektrum. Je nachdem, ob das Elektron in der K-, L- usw. Schale gebunden war, spricht man von K-, L-, usw. -Konversion.

Beispiel: Zerfall von 203Hg[Bearbeiten]

Zerfallsschema von 203Hg
Elektronenspektrum von 203Hg, nach Wapstra et al., Physics 20 (1954) 169

Wie man aus dem Zerfallsschema links sieht, erzeugt 203Hg ein kontinuierliches Betaspektrum mit Maximalenergie 214 keV, das zu einem angeregten Zustand des Tochterkerns 203Tl führt. Dieser zerfällt (innerhalb von 2.8x10-10 s) durch Emission eines Gammaquants von 279 keV zum Grundzustand des 203Tl.

Das mit Hilfe eines magnetischen Spektrometers gemessene Elektronenspektrum ist rechts zu sehen. Es zeigt einerseits das kontinuierliche Betaspektrum, anderseits die K-, L-, und M-Linien der inneren Konversion. Da die Bindungsenergie der K-Elektronen im 203Tl 85 keV beträgt, liegt die K-Linie bei 279 - 85 = 194 keV; die L- und M-Linien liegen wegen der geringeren Bindungsenergie bei höheren Werten. Wegen der begrenzten Energieauflösung des Spektrometers haben die "Linien" die Form einer Gauß-Kurve endlicher Breite.

Zerfallswahrscheinlichkeit[Bearbeiten]

Da die innere Konversion alternativ zur Gamma-Emission auftritt, ist die gesamte Zerfallswahrscheinlichkeit \lambda des anfänglichen Kernzustands pro Zeiteinheit die Summe aus den beiden Einzelwahrscheinlichkeiten:

Konversionskoeffizienten für E0 Übergänge für Z = 40, 60, and 80 nach den Tabellen von Sliv und Band, als Funktion der Übergangsenergie
\lambda = \lambda_\gamma + \lambda_\mathrm{e}

Das Verhältnis \lambda_\mathrm{e}/\lambda_\gamma heißt Konversionskoeffizient. Wie das Bild zeigt, nimmt er mit steigender Kernladungszahl Z und abnehmender Energie zu[2].

Wie der Elektroneneinfang wird auch die innere Konversion im Allgemeinen als eine Art der Radioaktivität betrachtet. Jedoch hängt ihre Wahrscheinlichkeit neben den inneren Eigenschaften des Kernisomers auch von Verhältnissen der Hülle ab, nämlich der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen am Ort des Kerns. Die Halbwertszeit kann daher durch Änderung der chemischen Bindung des Atoms beeinflusst werden. Experimentell wurden Veränderungen bis zur Größenordnung Prozent beobachtet.[3]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Bernard L. Cohen: Concepts of Nuclear Physics. New York usw.: McGraw-Hill 1971, Seite 298
  2. L. A. Sliv and I. M. Band, Table of Internal Conversion Coefficients, in: Alpha-, Beta- and Gamma-Ray Spectroscopy, ed. by Kai Siegbahn, North-Holland Publishing (1966), Vol. 2, Appendix
  3. G. T. Emery, Perturbation of Nuclear Decay Rates, Annu. Rev. Nucl. Sci. 22 (1972) S. 165-202

Literatur[Bearbeiten]

  • Theo Mayer-Kuckuk: Kernphysik, Teubner Studienbücher, Stuttgart 1992, ISBN 3-519-43021-5.
  • H. Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes BG Teubner Verlag, 2007, ISBN 3-519-00487-9