Сцинтилляция (физика)

редактировать

Сцинтилляция - мигает свет, создаваемый в прозрачном материале при прохождении частицы (электрон, альфа-частица, ион или фотон высокой энергии ). Для получения информации о практических применениях см. сцинтиллятор и сцинтилляционный счетчик.

Содержание

1 Обзор
2 Сцинтилляция неорганических кристаллов
3 Сцинтилляция органических сцинтилляторов
4 См. Также
5 Ссылки

Обзор

Процесс сцинтилляции - это один из процессов люминесценции, когда свет характерного спектра испускается после поглощения излучения. Испускаемое излучение обычно менее энергично, чем поглощаемое. Сцинтилляция является неотъемлемым молекулярным свойством конъюгированных и ароматических органических молекул и возникает из их электронных структур. Сцинтилляция также встречается во многих неорганических материалах, включая соли, газы и жидкости.

Сцинтилляция неорганических кристаллов

Для фотонов, таких как гамма-лучи, часто используются активированные таллием кристаллы NaI (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 являются возбужденными синглетными состояниями. T 1, T 2, T 3 представляют собой возбужденные триплетные состояния. S 00, S 01, S 10, S 11 и т. Д. являются колебательными подуровнями.

В органических молекулах сцинтилляция является продуктом π-орбиталей. Органические материалы образуют молекулярные кристаллы, в которых молекулы слабо связаны силами Ван-дер-Ваальса. Основное состояние C - 1s 2s 2p. В теории валентных связей, когда углерод образует соединения, один из 2s-электронов возбуждается в состояние 2p, что приводит к конфигурации 1s 2s 2p. 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 s- и p-орбитали 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 орбитали. Орбитали, симметричные относительно осей связи и плоскости молекулы (sp), 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 периметрической модели 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 вращателя:

ψ (x) = ψ (x + l) {\ displaystyle \ psi (x) = \ psi (x + l) \,}

\ psi (x) = \ psi (x + l) \,

Соответствующие решения волнового уравнения Шредингера :

ψ 0 = (1 l) 1 2 ψ q 1 = (2 l) 1 2 cos ⁡ (2 π qxl) ψ q 2 знак равно (2 l) 1 2 грех ⁡ (2 π qxl) E q = q 2 ℏ 2 2 м 0 l 2 {\ 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 {align}}}

{\ 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 {align}}

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, так как она связана с распадом возбужденных состояний.

См. Также