Сцинтилляция (физика) - Scintillation (physics)

Сцинтилляция - это вспышка света, возникающая в прозрачном материале при прохождении частицы ( электрона , альфа-частицы , иона или фотона высокой энергии ). Для получения информации о практических применениях см. Сцинтиллятор и сцинтилляционный счетчик .

Обзор

Процесс сцинтилляции - это процесс люминесценции, при котором свет характерного спектра испускается после поглощения излучения . Испускаемое излучение обычно менее энергично, чем поглощаемое. Сцинтилляция - это внутреннее молекулярное свойство сопряженных и ароматических органических молекул, обусловленное их электронной структурой. Сцинтилляция также встречается во многих неорганических материалах, включая соли, газы и жидкости.

Сцинтилляция неорганических кристаллов

Для фотонов, таких как гамма-лучи, часто используются кристаллы NaI , активированные таллием (NaI (Tl)). Для более быстрого отклика (но только 5% выхода) можно использовать кристаллы CsF .

Сцинтилляция органических сцинтилляторов

π-электронные уровни энергии органической молекулы. S ₀ - основное состояние. S ₁ , S ₂ , S ₃ - возбужденные синглетные состояния. T ₁ , T ₂ , T ₃ - возбужденные триплетные состояния. S ₀₀ , S ₀₁ , S ₁₀ , S ₁₁ и т. Д. - колебательные подуровни.

В органических молекулах сцинтилляция является продуктом π-орбиталей . Органические материалы образуют молекулярные кристаллы, в которых молекулы слабо связаны силами Ван-дер-Ваальса . Основное состояние ¹² C - 1s ² 2s ² 2p ² . В теории валентных связей, когда углерод образует соединения, один из 2s-электронов возбуждается в состояние 2p, что приводит к конфигурации 1s ² 2s ¹ 2p ³ . Чтобы описать различные валентности углерода, четыре орбитали валентных электронов, одна 2s и три 2p, считаются смешанными или гибридизированными в нескольких альтернативных конфигурациях. Например, в тетраэдрической конфигурации орбитали s и p ³ объединяются, образуя четыре гибридных орбитали. В другой конфигурации, известной как тригональная конфигурация, одна из p-орбиталей (скажем, p _z ) остается неизменной, и три гибридные орбитали создаются путем смешивания s, p _x и p _y орбиталей. Орбитали, симметричные относительно осей связей и плоскости молекулы (sp ² ), известны как σ-электроны, а связи называются σ-связями. Орбиталь p _z называется π-орбиталью. Π-связь возникает при взаимодействии двух π-орбиталей. Это происходит, когда их узловые плоскости копланарны.

В некоторых органических молекулах π-орбитали взаимодействуют, образуя общую узловую плоскость. Они образуют делокализованные π-электроны, которые могут быть возбуждены излучением. Девозбуждение делокализованных π-электронов приводит к люминесценции.

Возбужденные состояния π-электронных систем можно объяснить с помощью модели периметрических свободных электронов (Platt 1949). Эта модель используется для описания полициклических углеводородов, состоящих из конденсированных систем бензоидных колец, в которых ни один атом C не принадлежит более чем двум кольцам, а каждый атом C находится на периферии.

Кольцо можно представить как круг с окружностью l. Волновая функция электронной орбитали должна удовлетворять условию плоского ротатора:

${\ Displaystyle \ psi (x) = \ psi (x + l) \,}$

Соответствующие решения волнового уравнения Шредингера :

${\ displaystyle {\ begin {align} \ psi _ {0} & = \ left ({\ frac {1} {l}} \ right) ^ {\ frac {1} {2}} \\\ psi _ { q1} & = \ left ({\ frac {2} {l}} \ right) ^ {\ frac {1} {2}} \ cos {\ left ({\ frac {2 \ pi \ qx} {l} } \ right)} \\\ psi _ {q2} & = \ left ({\ frac {2} {l}} \ right) ^ {\ frac {1} {2}} \ sin {\ left ({\ frac {2 \ pi \ qx} {l}} \ right)} \\ E_ {q} & = {\ frac {q ^ {2} \ hbar ^ {2}} {2m_ {0} l ^ {2} }} \ end {выровнены}}}$

где q - квантовое число орбитального кольца; количество узлов волновой функции. Поскольку у электрона может быть вращение вверх и вниз и он может вращаться по окружности в обоих направлениях, все уровни энергии, кроме самого нижнего, вырождены дважды.

Выше показаны π-электронные уровни энергии органической молекулы. Поглощение излучения сопровождается молекулярной вибрацией до состояния S ₁ . За этим следует снятие возбуждения до состояния S _0, называемое флуоресценцией. Заселение триплетных состояний возможно и другими способами. Триплетные состояния распадаются с гораздо более длительным временем распада, чем синглетные состояния, что приводит к так называемой медленной составляющей процесса распада (процесс флуоресценции называется быстрой составляющей). В зависимости от конкретной потери энергии определенной частицы (dE / dx) «быстрое» и «медленное» состояния заняты в разных пропорциях. Таким образом, относительные интенсивности светового выхода этих состояний различаются для разных dE / dx. Это свойство сцинтилляторов позволяет различать форму импульса: можно определить, какая частица была обнаружена, по форме импульса. Конечно, разница в форме видна на задней стороне импульса, поскольку она связана с распадом возбужденных состояний.

Смотрите также

• Позитронно-эмиссионная томография

Ссылки