Conversion interne

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La conversion interne est un processus électromagnétique et un mode de désexcitation nucléaire par lequel un électron, acquérant directement l'énergie d'excitation d'un noyau atomique, est expulsé de l'atome. Il s'agit également de l'un des trois mécanismes par lesquels un noyau dans un état excité peut se désexciter ; les deux autres étant la radioactivité γ et la création de paires lorsque les conditions énergétiques le permettent pour ce dernier. La conversion interne se traduit donc par l'émission d'un électron énergétique, mais en dehors de tout processus de désintégration β : les électrons provenant d'une conversion interne ont donc toujours une énergie déterminée, à la différence de ceux issus d'une désintégration β, qui partagent l'énergie de désintégration dans des proportions variables avec l'antineutrino électronique émis avec eux. Cette absence de neutrino implique également l'absence de transmutation, contrairement à une désintégration β : la nature chimique de l'élément ne change pas.

Historique[modifier | modifier le code]

Mécanisme[modifier | modifier le code]

Dans le modèle mathématique de la mécanique quantique pour le processus de la conversion interne, la fonction d'onde d'un électron d'une couche interne (habituellement un électron « s ») pénètre le volume du noyau atomique. Cela signifie qu'il existe une probabilité finie de trouver l'électron à l'intérieur du noyau. C'est typiquement ce qui se passe lors d'une capture électronique, au cours de laquelle une interaction faible entre un électron et un proton conduit à la formation d'un neutron avec libération d'un neutrino électronique. Lorsque cela se produit, l'électron peut se coupler avec un état d'énergie excité du noyau et prendre l'énergie de la transition nucléaire directement, sans qu'un rayon gamma intermédiaire soit précédemment produit. L'énergie cinétique de l’électron émis, E_{ceX}, est égale à l'énergie de transition dans le noyau, E_\gamma, moins l'énergie de liaison de l'électron dans l'atome, E_X[1] :

E_{ceX} = E_\gamma - E_X

La plupart des électrons de conversion interne viennent de la couche K (l'état « 1s »), étant donné que les deux électrons se trouvant sur cette couche ont la plus grande probabilité de se trouver à l'intérieur du noyau. Cependant, les états « s » des couches L, M et N (c'est-à-dire les états « 2s », « 3s » et « 4s ») sont également capable de se coupler aux champs nucléaires et provoquent l'éjection d'électron de conversion interne depuis ces couches (appelée conversion interne L, M ou N). Les rapports de probabilités de conversion interne de la couche K sur les autres couches internes L, M et N pour différents nucléides sont parfois utilisés[2].

L'énergie fournit à l’électron « s » doit être au minimum égale à l'énergie de liaison atomique de cet électron afin de l'éjecter de l'atome afin d'aboutir à une conversion interne ; c'est-à-dire que la conversion interne ne peut pas avoir lieu si l'énergie de décroissance du noyau est insuffisante pour surpasser l'énergie de liaison atomique. Il existe quelques radionucléides pour lesquels l'énergie de décroissance n'est pas suffisante pour convertir (éjecter) un électron « 1s » (couche K)[réf. souhaitée][Note 1]. Ainsi ces noyaux doivent-ils, pour décroitre par conversion interne, décroitre en éjectant des électrons des couches L, M ou N (c'est-à-dire en éjectant les électrons « 2s », « 3s » ou « 4s ») étant donné que les énergies de liaison sont plus petites.

Bien que les électrons « s » sont plus susceptibles de subit un processus de conversion interne du fait de leur plus grande présence dans le noyau atomique comparés aux électrons avec un moment angulaire orbital, des études spectrales montrent que les électrons « p » (des couches L et supérieures) sont occasionnellement éjectés dans le processus de conversion interne[réf. souhaitée].

Après que l'électron de conversion interne ait été émis, l'atome présente une vacance dans l'une de ses couches électroniques, habituellement une couche interne. Ce trou sera comblé par un électron périphérique, qui émet un rayon X caractéristique (en) ou transfère son excès d'énergie à un autre électron de l'atome, électron à son tour expulsé par effet Auger. Ce processus en cascade se termine lorsque toutes les vacances ont été remplies.

Occurrence[modifier | modifier le code]

La conversion interne est favorisée dès que l'énergie disponible pour une transition gamma est petite. Il s'agit également du mode de désexcitation primaire des transitions 0+→0+ (c'est-à-dire E0). Les transitions 0+→0+ ont lieu l'état excité du noyau a un spin nul et une parité positive et décroissent vers l'état fondamental lui aussi de spin nul et de parité positive (tels que tous les nucléides avec des nombres pairs de protons et de neutrons). Dans ces cas, la désexcitation ne peut pas avoir lieu par émission d'un seul rayon gamma, puisque cela violerait la conservation du moment angulaire. Ainsi d'autres mécanismes telle que la conversion interne prédomine-t-il. Cela montre également que la conversion interne (contrairement à son nom) n'est pas un processus en deux étapes où un rayon gamma serait d'abord émis avant d'être converti.

Coefficient de conversion interne pour les transitions E1 pour Z = 40, 60, et 80 d'après la table de Sliv et Band, en fonction de l'énergie de transition.

La compétition entre la conversion interne et l'émission gamma est quantifiée sous la forme du coefficient de conversion interne qui correspond, pour chaque nucléide, à la fraction de désintégrations se produisant par conversion interne par rapport à celles se produisant par émission γ. Par exemple, dans la décroissance d'un état excité à 35 keV du 125Te (qui est produit lors de la décroissance de l'125I, 7% des décroissances émettent de l'énergie sous forme de rayons gamma, tandis que 93% de l'énergie émise l'est en tant qu'électrons convertis. Ainsi cet état existé du 125Te a-t-il un coefficient de conversion interne de α = 93/7 = 13,3.

Lorsque le numéro atomique (Z) augmente et que l'énergie du rayon gamma diminue, les coefficients de conversion interne augmentent. Par exemple, les coefficients de conversion interne calculées pour des transition dipolaires électriques (E1), pour Z=40, 60 et 80 sont affichés sur la figure[4].

Le coefficient de conversion interne a été estimé par une méthode de Monte-Carlo pour un certain nombre de radioisotopes : 55Fe, 67Ga, 99mTc, 111In, 113mIn, 115mIn, 123I, 125I, 193mPt, 201Tl et 203Pb.

Similitudes[modifier | modifier le code]

La conversion interne ne doit pas être confondue avec l'effet photoélectrique consécutif à l'absorption, par un électron de l'atome, d'un photon γ émis par le noyau : cet électron est expulsé, comme dans le cas d'une conversion interne, mais avec une probabilité et une énergie différentes, car le mécanisme n'est pas le même : la conversion interne est un transfert direct d'énergie, tandis que l'effet photoélectrique implique un photon intermédiaire ; la description quantique de la conversion interne peut faire appel à un photon virtuel, mais il ne s'agit pas d'un photon réel émis par transition énergétique du noyau. Il en résulte que la conversion interne peut se faire sans changement de spin.

Exemple : la décroissance du 203Hg[modifier | modifier le code]

Schéma de décroissance du 203Hg.
Spectre en énergie électronique du 203Hg, d'après Wapstra et al., Physica 20 (1954) 169[5]

Le schéma de désintégration sur la gauche montre que le 203Hg produit un spectre bêta continu avec une énergie maximale de 214 keV, et qui conduit à un état excité du noyau fils de 203Tl. Cet état décroit très rapidement (en 2,8.10−10 s) vers l’état fondamental du 203Tl, en émettant un rayon gamma de 279 keV.

La figure sur la droite montre le spectre en énergie électronique du 203Hg, mesuré au moyen d'un spectromètre magnétique. Le spectre bêta continu est bien visible ainsi que les les pics K, L et M dus à la conversion interne. Puisque l'énergie de liaison des électrons K dans le 203Tl s'élève à 85 keV, les lignes K ont une énergie de 279 - 85 = 194 keV. Du fait d'une énergie de liaison moindre, les pics L et M ont des énergies plus grandes. Enfin, du fait de la résolution en énergie du spectromètre qui n'est pas non-infinie, les pics ont une forme gaussienne de largeur finie.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. C'est par exemple le cas du 235mU[3].

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Table of RADIONUCLIDES, page 22
  2. (en) Table of RADIONUCLIDES, page 23
  3. (en) M. Neve de Mevergniens, « Energy of the isomeric transition in ²³⁵U », Physics Letters B, vol. 32, no 6,‎ , p. 482-484 (DOI 10.1016/0370-2693(70)90391-6)
  4. 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
  5. (en) Aaldert Hendrik Wapstra, « The decay of ²⁰³Hg, ²⁰³Pb and ²⁰¹Pb », Physica, vol. 20, no 1–6,‎ , p. 169-177 (DOI 10.1016/S0031-8914(54)80029-2)

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Joseph Hamilton, Internal Conversion Processes, Academic Press,‎ , 669 p. (ISBN 9780123956101)
  • (en) H.C. Pauli, K. Alder et R.M. Steffen, « The theory of internal conversion », dans The Electromagnetic Interaction in Nuclear Spectroscopy, W.D. Hamilton,‎ (lire en ligne), p. 341-440

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]