Сцинтилляция (физика) - Scintillation (physics)

Для использования в других целях см. Сцинтилляция (значения).

Сцинтилляция это вспышка свет произведено в прозрачный материала при прохождении частицы ( электрон, альфа-частица, ион, или высокоэнергетический фотон ). Видеть сцинтиллятор и сцинтилляционный счетчик для практического применения.^[1][2]

Обзор

Процесс сцинтилляции - один из свечение при этом свет характерного спектра излучается после поглощения радиация. Испускаемое излучение обычно менее энергично, чем поглощаемое. Сцинтилляция - это внутреннее свойство молекул в сопряженный и ароматный органических молекул и возникает из их электронных структур. Сцинтилляция также встречается во многих неорганических материалах, включая соли, газы и жидкости.

Сцинтилляция неорганических кристаллов

Дальнейшая информация: Сцинтилляционный счетчик § Детектирующие материалы

Для фотонов, таких как гамма-лучи, активированный таллием NaI кристаллы (NaI (Tl)) часто используются. Для более быстрого ответа (но только 5% вывода) CSF кристаллы могут быть использованы.^[3]:211

Сцинтилляция органических сцинтилляторов

π-электронные уровни энергии органической молекулы. S₀ это основное состояние. S₁, S₂, S₃ являются возбужденными синглетными состояниями. Т₁, Т₂, Т₃ являются возбужденными триплетными состояниями. S₀₀, S₀₁, S₁₀, S₁₁ и др. - колебательные подуровни.

В органических молекулах сцинтилляция является продуктом π-орбитали. Органические материалы образуют молекулярные кристаллы, в которых молекулы слабо связаны Силы Ван-дер-Ваальса. Основное состояние ¹²C - 1 с² 2 с² 2p². В теории валентных связей, когда углерод образует соединения, один из 2s-электронов возбуждается в состояние 2p, что приводит к конфигурации 1s-электронов.² 2 с¹ 2p³. 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 p³ орбитали объединяются, чтобы произвести четыре гибридных орбитали. В другой конфигурации, известной как тригональная конфигурация, одна из p-орбиталей (скажем, p_z) остается неизменным, и три гибридные орбитали образуются путем смешивания s, p_Икс и р_у орбитали. Орбитали, симметричные относительно осей связи и плоскости молекулы (sp²) известны как σ-электроны, а связи называются σ-связями. Р_z орбиталь 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 Волновое уравнение Шредингера находятся:

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

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 S₁ государственный. Затем следует снятие возбуждения до S₀ состояние называется 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.

Смотрите также

• Позитронно-эмиссионная томография

Рекомендации

1. Биркс, Джон Б. (1964). Теория и практика сцинтилляционного счета. Pergamon Press, Ltd.
2. Кнолль, Гленн Ф. (2000). Обнаружение и измерение радиации. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-07338-3.
3. Введение в ядерную физику. Крейн. 1987 г.