Русская Википедия:Сцинтилляция
Сцинтилля́ция (от Шаблон:Lang-la, «мерцание») — люминесценция малой продолжительности (длительностью от наносекунд до микросекунд) возникающая в результате взаимодействия сплошной среды-сцинтиллятора с ионизирующим излучением (альфа-частицами, гамма-квантами, быстрыми электронами, протонами и другими заряженными частицами).
Явление сцинтилляции применяется для обнаружения частиц и излучения, например, сцинтилляционные детекторы регистрируют отдельные частицы[1][2].
История
Явление было открыто У. Круксом, наблюдавшим свечение сульфида цинка при облучении его альфа-частицами от радиоактивного материала.
Механизм возникновения
Конкретный механизм и параметры (спектр, длительность) сцинтилляции зависит от сцинтиллятора, общий принцип состоит в том, что электронная система атомов или молекул сплошной среды переходит в возбуждённое состояние после взаимодействия с заряженной частицей или гамма-частицей, а при возврате в основное невозбуждённое состояние или промежуточные возбуждённые состояния испускаются один или несколько оптических фотонов.
Передаваемая энергия в оптическое излучение и яркость вспышки сильно зависит от ионизирующей способности поглощённой частицы, например, свечение, вызываемое альфа-частицами и быстрыми протонами, значительно выше, чем свечение вызванное взаимодействием с электронами. Кроме того, интенсивность сцинтилляции зависит от энергии частицы, что позволяет определять энергетический спектр излучения.
Сцинтилляция наблюдается в органических веществах, а также во многих неорганических материалах — кристаллах, газах и жидкостях.
Спектр излучения большинства практически используемых сцинтилляторов лежит в синей и ультрафиолетовой частях спектра.
Некоторые сцинтилляторы
Неорганические сцинтилляторы
Неорганические сцинтилляторы в основном применяются для регистрации гамма-излучения, так как гамма-излучение плохо поглощается органическими материалами, причём чем более тяжёлые элементы (химические элементы с бо́льшим зарядом ядра) применены, тем выше поглощение. Поэтому в качестве сцинтилляторов в сцинтилляционных детекторах гамма-частиц применяются монокристаллы иодида натрия, активированные таллием NaI(Tl). Для увеличения быстродействия (уменьшения длительности высвечивания) используют монокристаллы фторида цезия CsF, но по световому выходу этот материал менее эффективен (5 % от светового выхода NaI)[3].
Органические сцинтилляторы
<math>S_0~-~</math>основное состояние,
<math>S_1,\ S_2,\ S_3~-~</math> возбуждённые синглетные состояния,
<math>T_1,\ T_2,\ T_3~-~</math> возбуждённые триплетные состояния,
<math>S_{00},\ S_{01},\ S_{10},\ S_{11}~</math> и другие — колебательные подуровни.
В органических молекулах сцинтилляция вызывается электронными переходами в <math>\pi</math>-орбиталях атомов углерода. Большинство органических веществ в твёрдом состоянии образуют молекулярные кристаллы, в которых молекулы слабо связаны силами Ван-дер-Ваальса.
Основное состояние атома углерода — <math>1s^22s^22p^2</math>. По теории валентных связей, в соединениях один из <math>2s</math>-электронов углерода переходит в состояние <math>2p</math>, что переводит атом углерода в состояние <math>1s^22s^12p^3.</math> Для описания различных валентных связей углерода четыре орбитали валентных электронов, одна <math>2s</math> и три <math>2p</math> полагаются смешанными или гибридизированными в нескольких различных конфигурациях. Например, в тетраэдрической валентной конфигурации электронные орбитали <math>s</math> и <math>p^3</math> объединяются, образуя четыре смешанных орбитали. В другой электронной конфигурации — тригональной конфигурации, одна из <math>p</math>-орбиталей (например, <math>p_z</math>) остается неизменной, и три гибридные орбитали создаются путем смешивания <math>s,\ p_x</math> и <math>p_y</math> орбиталей. Орбитали, симметричные относительно осей связи и плоскости молекулы (<math>sp^2</math>) называют <math>\sigma</math>-электронами, и эти связи называются <math>\sigma</math>-связями. Орбиталь <math>p_z</math> называется <math>\pi</math>-орбиталью. <math>\pi</math>-связь возникает при взаимодействии двух <math>\pi</math>-орбиталей. Это происходит, когда их узловые плоскости находятся в одной плоскости.
В некоторых органических молекулах <math>\pi</math>-орбитали взаимодействуют, образуя общую узловую плоскость. Они образуют делокализованные <math>\pi</math>-электроны, которые могут быть возбуждены излучением. Переход в основное состояние делокализованных <math>\pi</math>-электронов вызывает люминесценцию.
Возбужденные состояния <math>\pi</math>-электронных систем можно объяснить с помощью модели внешних свободных электронов, предложенную Платтом (Platt) в 1949 году. Эта модель применяется для описания электронной структуры поликонденсированных углеводородов, состоящих из нескольких связанных бензольных колец, в которых ни один атом углерода не принадлежит более чем двум кольцам, а каждый другой атом углерода находится на периферии кольца.
Ароматическое кольцо можно представить как окружностью длиной <math>l</math>. Волновая функция электронной орбитали должна удовлетворять условию плоского ротатора:
- <math>\psi(x)=\psi(x+l),</math>
- где <math>x</math> — координата вдоль окружности.
Соответствующие этому случаю решения волнового уравнения Шредингера:
- <math>\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_0l^2},
\end{align}</math>
- где <math>q</math> — орбитальное квантовое число электронов в молекуле или число узлов волновой функции;
- <math>m_0</math> — масса электрона;
- <math>\hbar</math> — редуцированная постоянная Планка.
Поскольку у электрона спин может иметь два разных направления и он может вращаться по окружности в обеих направлениях, все уровни энергии, кроме самого нижнего, основного уровня, дважды вырождены.
На рисунке 1 показаны <math>\pi</math>-электронные уровни энергии органической молекулы. Поглощение излучения сопровождается молекулярной колебаниями и переходом в состояние <math>S_1</math> Из этого состояния происходит переход в состояние <math>S_0</math>, сопровождаемый флуоресценцией, при этом происходит часть переходов в триплетные состояния. Возбуждение триплетных состояний возможно и другими способами.
Триплетные состояния характерны тем, распадаются с гораздо более длительным временем, чем синглетные состояния, что приводит к так называемым медленным переходом в основное состояние, а процесс флуоресценции происходит быстро и называется быстрой составляющей сцинтилляции. В зависимости от конкретного случая, потери энергии на единицу длины пробега определённой частицы (<math>dE/dx</math>) разделяются на «быстрое» и «медленное» высвечивание и происходят с разной вероятностью. Таким образом, относительные интенсивности светового выхода распада этих состояний различаются для разных <math>dE/dx.</math> Эта особенность сцинтилляторов по длительностям свечения и послесвечения позволяет определить, какая частица была поглощена. Эта разница в форме светового импульса видна на его спадающей стороне, так как она связана с распадом возбужденных триплетных состояний (рисунок 2).
Примечания
См. также
Литература
- ↑ Шаблон:Cite book
- ↑ Шаблон:Cite book
- ↑ Introductory Nuclear Physics. Krane. 1987.
