การแปลงภายใน

การแปลงภายใน (อังกฤษ: Internal conversion) เป็นกระบวนการ การสลายให้กัมมันตรังสี ที่เมื่อ นิวเคลียส ที่ถูกกระตุ้นมีปฏิสัมพันธ์แบบ แม่เหล็กไฟฟ้า กับอิเล็กตรอนหนึ่งตัวในวงโคจรของอะตอม ทำให้อิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมา (พุ่งออกมา) จากอะตอม ดังนั้นในกระบวนการการแปลงภายใน อิเล็กตรอนพลังงานสูงตัวหนึ่งจะถูกปล่อยออกมาจากอะตอมกัมมันตรังสี แต่ไม่ได้มาจากนิวเคลียส ด้วยเหตุนี้อิเล็กตรอนความเร็วสูงที่เกิดจากการแปลงภายในจึงไม่ใช่ อนุภาคบีตา เนื่องจากอนุภาคบีตาจะต้องมาจาก การสลายให้อนุภาคบีตา โดยที่พวกมันจะถูกสร้างขึ้นใหม่ในกระบวนการการสลายตัวของนิวเคลียส

การแปลงภายในจะเป็นไปได้เมื่อใดก็ตามที่ การสลายให้อนุภาคแกมมา มีความเป็นไปได้ ยกเว้นในกรณีที่อะตอมถูกเปลี่ยนเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์ ในระหว่างการแปลงภายใน, เลขอะตอม จะไม่มีการเปลี่ยนแปลง ดังนั้น (อย่างที่เป็นเหมือนกรณีการสลายตัวได้อนุภาคแกมมา) จึงไม่มีการแปรพันธ์ุขององค์ประกอบหนึ่งไปเป็นอีกองค์ประกอบหนึ่งเกิดขึ้น

เนื่องจากอิเล็กตรอนหนึ่งตัวจะหายไปจากอะตอม หลุม(hole)หนึ่งตัวก็จะไปปรากฏในเปลือกอิเล็กตรอนซึ่งจะถูกเติมเต็มในภายหลังโดยอิเล็กตรอนอื่น ๆ กระบวนการนี​​้จะผลิต รังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ, Auger อิเล็กตรอน, หรือทั้งสองอย่าง อะตอมจึงปลดปล่อยอิเล็กตรอนพลังงานสูงและโฟตอนรังสีเอกซ์ แต่อนุภาคเหล่านี้ไม่มีตัวไหนเลยที่เกิดในนิวเคลียส โดยที่นิวเคลียสจะจัดหาพลังงานที่จำเป็นให้เท่านั้น

เนื่องจากพวกอิเล็กตรอนหลักจากการแปลงภายในจะมีชิ้นส่วน (ขนาดใหญ่) ที่คงที่ของพลังงานการสลายแบบลักษณะเฉพาะ พวกมันจึงมีสเปกตรัมพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง มากกว่าจะมีลักษณะของสเปกตรัมที่แพร่กระจาย (ต่อเนื่อง) ของ อนุภาคเบต้า ในขณะที่สเปกตรัมพลังงานของอนุภาคเบต้าจะวาดออกมาเป็นเนินกว้าง สเปกตรัมพลังงานของอิเล็กตรอนจากการแปลงภายในจะถูกวาดออกมาเป็นยอดคมอันเดียว (ดูตัวอย่างด้านล่าง)

กลไก

ในแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัมสำหรับกระบวนการการแปลงภายใน, wavefunction ของอิเล็กตรอนที่เปลือกชั้นใน (ปกติจะเป็น s อิเล็กตรอน) จะแทรกซึมเข้าไปในเนื้อของ นิวเคลียส ซึ่งหมายความว่ามีความเป็นไปได้ที่แน่นอนของการค้นหาอิเล็กตรอนภายในนิวเคลียส เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ อิเล็กตรอนอาจเชื่อมไปยังสภาวะของพลังงานที่ถูกกระตุ้นของนิวเคลียสและใช้พลังงานจากการเปลี่ยนผ่านนิวเคลียสโดยตรง โดยปราศจากรังสีแกมมาช่วงกลางที่ถูกผลิตในครั้งแรก พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจะเท่ากับพลังงานการเปลี่ยนผ่านในนิวเคลียส, ลบด้วยพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนที่ยึดเหนี่ยวเข้ากับอะตอม

อิเล็กตรอนที่เกิดจากการแปลงภายในส่วนใหญ่จะมาจากเปลือกชั้น K (สถานะ 1s) เพราะอิเล็กตรอนสองตัวนี้มีความน่าจะเป็นสูงสุดของการมีอยู่ภายในนิวเคลียส อย่างไรก็ตาม สถานะ s ในเปลือกชั้น L, M และ N (เช่นสถานะ 2s, 3s และ 4s) ยังสามารถที่จะเชื่อมเข้ากับสนามนิวเคลียสและก่อให้เกิดการปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากการแปลงภายในจากเปลือกเหล่านั้น (ที่เรียกว่าการแปลงภายในจากเปลือก L หรือ M หรือ N) อัตราส่วนความเป็นไปได้ของการแปลงภายในจากเปลือก K ต่อเปลือก L, M, หรือ N สำหรับนิวไคลด์ต่างๆได้รับการจัดเตรียมไว้

พลังงานยึดเหนี่ยวอะตอมของ s อิเล็กตรอนอย่างน้อยต้องถูกจ่ายให้กับอิเล็กตรอนนั้นเพื่อที่จะดีดตัวมันให้ออกจากอะตอมเพื่อที่จะทำให้เกิดการแปลงภายใน; นั่นคือกล่าวได้ว่า การแปลงภายในไม่สามารถเกิดขึ้นได้หากพลังงานการสลายตัวของนิวเคลียสมีไม่เพียงพอที่จะเอาชนะพลังงานยึดเหนี่ยว มีนิวไคลด์กัมมันตรังสีไม่กี่ตัวที่พลังงานการสลายตัวมีไม่เพียงพอที่จะแปลง (ดีดออก) อิเล็กตรอน 1s (เปลือก K) หนึ่งตัว และนิวไคลด์เหล่านี้ เพื่อที่จะสลายตัวโดยการแปลงภายใน จะต้องสลายตัวโดยการดีดอิเล็กตรอนออกจากเปลือก L หรือ M หรือ N (กล่าวคือโดยการดีดออกอิเล็กตรอน 2s, 3s หรือ 4s) เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวเหล่านี้มีค่าต่ำลง

ถึงแม้ว่า s อิเล็กตรอนจะมีแนวโน้มมากขึ้นสำหรับกระบวนการการแปลงภายในเนื่องจากการแทรกซึมแบบนิวเคลียร์สุดยอดของพวกมันเมื่อเทียบกับอิเล็กตรอนที่มีโมเมนตัมเชิงมุมในวงโคจรก็ตาม, การศึกษาเกี่ยวกับสเปกตรัมแสดงให้เห็นว่า p อิเล็กตรอน (จากเปลือก L และสูงกว่า) จะถูกขับออกมาเป็นครั้งคราวในกระบวนการการการแปลงภายใน

หลังจากที่อิเล็กตรอนจากกระบวนการการแปลงภายในถูกปล่อยออกมา อะตอมจะถูกทิ้งไว้แต่ตำแหน่งที่ว่างในหนึ่งของเปลือกอิเล็กตรอนขอวมัน ซึ่งมักจะเป็นเปลือกชั้นใน หลุมนี้จะถูกเติมเต็มด้วยอิเล็กตรอนจากหนึ่งในเปลือกที่สูงขึ้นและส่งผลให้รังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ หรือ Auger อิเล็กตรอน หนึ่งตัวหรือมากกว่า จะถูกปล่อยออกมาเป็นอิเล็กตรอนที่เหลืออยู่ในอะตอมไหลลงไปเพื่อแทนตำแหน่งที่ว่าง

ตัวอย่าง: การสลายตัวของ ²⁰³ปรอท

รูปแบบการสลายตัวของ ²⁰³Hg

สเปคตรัมอิเล็กตรอนของ ²⁰³Hg, อ้างถึง Wapstra et al., Physica 20 (1954) 169

รูปแบบการสลายตัวทางด้านซ้ายแสดงให้เห็นว่า ²⁰³ปรอทจะผลิตสเปกตรัมของบีตาอย่างต่อเนื่องด้วยพลังงานสูงสุด 214 keV, ที่จะนำไปสู่​​สภาวะกระตุ้นของนิวเคลียสลูกสาว ²⁰³Tl สถาวะนี้จะสูญสลายเร็วมาก (ภายใน 2.8x10^-10 s) ไปอยู่ที่สภาวะกราวด์ของ ²⁰³Tl ปลดปล่อยควอนตัมแกมมาออกมาที่ 279 keV

รูปทางด้านขวาแสดงให้เห็นว่าสเปคตรัมอิเล็กตรอนของ ²⁰³ปรอท ที่ถูกวัดโดยวิธีการของสเปกโตรมิเตอร์แม่เหล็ก คุณจะเห็นสเปกตรัมเบต้าที่ต่อเนื่องพร้อมกับเส้น K, L และ M เนื่องจากการแปลงภายใน เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวของ K อิเล็กตรอนใน ²⁰³Tl มีจำนวน 85 keV, ดังนั้นเส้น K จะมีพลังงาน 279-85 = 194 keV. เพราะว่ามีพลังงานยึดเหนี่ยวน้อย, เส้น L และ M จึงมีพลังงานสูงกว่า. เนื่องจากความละเอียดพลังงานที่แน่นอนของเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ "เส้น"ทั้งหลายจึงมีรูปทรงเกาส์เสียนของความกว้างที่แน่นอน