La désexcitation du noyau par éjection d’électrons atomiques
La conversion interne est un mode de désexcitation d’un noyau qui concurrence l’émission d’un gamma. Elle survient après une désintégration radioactive, bêta ou alpha qui a laissé le noyau dans un état excité. La conversion interne est une émission de gamma dont le gamma disparait car il interagit avec un des électrons qui circule autour du noyau et auquel il transfère son énergie. Elle est aussi appelée pour cette raison conversion électronique.
Schéma d’une conversion interne
Un noyau excité émet un rayon gamma (a). Ce gamma interagit avec un des électrons les plus internes de l’atome (b) généralement avec un électron de la couche K. L’électron est éjecté de l’atome, le gamma est absorbé et disparait. L’éjection de l’électron cause un vide sur la couche interne. L’atome se réorganise : un électron plus externe, ici appartenant à la couche L vient occuper la place de l’électron éjecté (c). Un rayon X est émis.
© IN2P3
L’électron éjecté hérite donc de l’énergie du gamma, mais il doit s’arracher aux forces qui le lient à l’atome. Une fois sorti de celui-ci son énergie est diminuée de son énergie de liaison. Etant donnée la structure en couches de l’atome, cette énergie de liaison est celle de la couche à laquelle l’électron appartenait.
L’énergie transférée à l’électron est celle du gamma diminuée de l’énergie de liaison de l’électron caractéristique de couche atomique. Aussi bien l’énergie du gamma que l’énergie de liaison possèdent des valeurs bien définies. De ce fait l’énergie de l’électron éjecté prendra une série de valeurs caractéristiques (une pour chaque couche). La probabilité d’éjecter un électron est la plus importante avec la couche K la plus interne et diminue rapidement avec les couches plus externes.
Les électrons de conversion se caractérisent par des énergies uniques, par opposition avec les électrons de la radioactivité bêta dont l’énergie se situe entre 0 et une valeur maximale, une partie de l’énergie disponible étant emportée par des neutrinos invisibles.
L’éjection d’un électron est suivie par une réorganistion de l’atome, avec émission de rayons X.
Électrons de conversion et électrons bêta
L’exemple choisi est celui du césium-137, un important émetteur beta. Dans 85,1 % des désintégrations un électron bêta est accompagné par un gamma de 661,57 kev, dans 9,6 % des cas par un électron de conversion. Alors que la répartition en énergie des rayons bêta est continue, les électrons de conversion possèdent une énergie unique dépendant de la couche atomique dont ils sont issus. Les conversions les plus fréquentes se produisent dans la couche K. Dans le cas du césium-137, les électrons de conversion emportent en moyenne 5% de l’énergie des désintégrations.
© IN2P3
L’exemple du césium-137 montre les importances respectives de la désexcitation gamma et le la conversion interne. 94,7 % des désintégrations bêta aboutissent à un état excité du noyau : 85,1 % retournent à l’état stable en émettant un gamma énergique de 661,57 keV contre 9,6 % par la conversion interne. L’énergie des électrons de conversion est proche de celle du gamma.
Dans le cas général, la présence et l’énergie des électrons de conversion restent liés aux rayons gamma émis. Leur contribution à l’énergie libérée, qui s’ajoute à celle des électrons bêta, est au plus de quelques %.
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