Scintilace

Scintilace (z latinského scintillatio , "blikání") - luminiscence krátkého trvání (trvající od nanosekund do mikrosekund ) vyplývající z interakce spojitého scintilačního média s ionizujícím zářením ( alfa částice , gama kvanta , rychlé elektrony, protony a další nabité částice ) .

Fenomén scintilace se využívá k detekci částic a záření, například scintilační detektory registrují jednotlivé částice [1] [2] .

Historie

Tento jev objevil W. Crookes , který pozoroval záři sulfidu zinečnatého , když byl ozářen částicemi alfa z radioaktivního materiálu.

Mechanismus původu

Konkrétní mechanismus a parametry ( spektrum , doba trvání) scintilace závisí na scintilátoru, obecným principem je, že elektronický systém atomů nebo molekul spojitého prostředí přechází do excitovaného stavu po interakci s nabitou částicí nebo gama částicí a po návrat k zemi nevybuzený stav nebo přechodné excitované stavy emitují jeden nebo více optických fotonů .

Energie přenesená do optického záření a jas záblesku je velmi závislý na ionizační schopnosti absorbované částice, například záře vyvolaná částicemi alfa a rychlými protony je mnohem vyšší než záře způsobená interakcí s elektrony . Intenzita scintilace navíc závisí na energii částice, což umožňuje určit energetické spektrum záření.

Scintilace je pozorována v organických látkách , stejně jako v mnoha anorganických materiálech - krystalech, plynech a kapalinách.

Emisní spektrum většiny prakticky používaných scintilátorů leží v modré a ultrafialové části spektra.

Některé scintilátory

Anorganické scintilátory

Anorganické scintilátory se používají hlavně k detekci gama záření, protože gama záření je špatně absorbováno organickými materiály a čím těžší prvky (chemické prvky s vyšším jaderným nábojem ), tím vyšší je absorpce. Proto se monokrystaly jodidu sodného aktivované thaliem NaI(Tl) používají jako scintilátory ve scintilačních detektorech gama částic . Monokrystaly fluoridu česného CsF se používají ke zvýšení rychlosti (snížení doby záře ) , ale tento materiál je méně účinný z hlediska světelného výkonu (5 % světelného výkonu NaI) [3] .

Organické scintilátory

V organických molekulách je scintilace způsobena elektronovými přechody v -orbitalech atomů uhlíku. Většina organických látek v pevném stavu tvoří molekulární krystaly , ve kterých jsou molekuly slabě vázány van der Waalsovými silami . $\pi$

Základní stav atomu uhlíku je . Podle teorie valenčních vazeb přechází ve sloučeninách jeden z -elektronů uhlíku do stavu , což vede k přechodu atomu uhlíku do stavu. K popisu různých valenčních vazeb uhlíku slouží čtyři orbitaly valenčních elektronů , jedna a tři , se předpokládá, že jsou smíšené nebo hybridizované v několika různých konfiguracích. Například v čtyřstěnné valenční konfiguraci se elektronové orbitaly spojí a vytvoří čtyři smíšené orbitaly. V jiné elektronové konfiguraci, trigonální konfiguraci, jeden z -orbitalů (například ) zůstává nezměněn a tři hybridní orbitaly jsou vytvořeny smícháním a orbitaly. Orbitaly, které jsou symetrické podle vazebných os a roviny molekuly ( ), se nazývají -elektrony a tyto vazby se nazývají -vazby. Orbital se nazývá -orbital. -vazba nastane, když dva -orbitaly interagují . K tomu dochází, když jsou jejich uzlové roviny ve stejné rovině. ${\displaystyle 1s^{2}2s^{2}2p^{2))$ $2s$ $2p$ $1s^{2}2s^{1}2p^{3}.$ $2s$ $2p$ $s$ $p^{3}$ $p$ $p_{z}$ $s,\ p_{x}$ $p_{y}$ ${\displaystyle sp^{2))$ $\sigma$ $\sigma$ $p_{z}$ $\pi$ $\pi$ $\pi$

V některých organických molekulách -orbitaly interagují a vytvářejí společnou nodální rovinu. Tvoří delokalizované -elektrony, které mohou být excitovány zářením. Přechod delokalizovaných elektronů do základního stavu způsobuje luminiscenci. $\pi$ $\pi$ $\pi$

Excitované stavy -elektronových systémů lze vysvětlit pomocí externího modelu volných elektronů navrženého Plattem v roce 1949. Tento model se používá k popisu elektronové struktury polykondenzovaných uhlovodíků , sestávajících z několika spojených benzenových kruhů, ve kterých žádný atom uhlíku nepatří k více než dvěma kruhům a každý druhý atom uhlíku je umístěn na okraji kruhu. $\pi$

Aromatický kruh může být reprezentován jako kruh délky . Vlnová funkce elektronového orbitalu musí splňovat podmínku plochého rotátoru: $l$

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

kde je souřadnice podél kružnice.

X

Řešení Schrödingerovy vlnové rovnice odpovídající tomuto případu jsou :

{\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}}

kde je orbitální kvantový počet elektronů v molekule nebo počet uzlů vlnové funkce;

q

m_{0}

je hmotnost elektronu;

\hbar

je redukovaná Planckova konstanta .

Protože elektron může mít dva různé směry rotace a může se otáčet v obou směrech v kruhu, jsou všechny kromě nejnižší, přízemní úrovně, dvojnásobně degenerované .

Obrázek 1 ukazuje energetické hladiny -elektronů organické molekuly. Absorpce záření je doprovázena molekulárními vibracemi a přechodem do stavu Z tohoto stavu nastává přechod do stavu , doprovázený fluorescencí , přičemž dochází k některým přechodům do tripletových stavů. Excitace tripletových stavů je možná i jinými způsoby. $\pi$ $S_{1}$ $S_{0}$

Tripletové stavy se vyznačují rozpadem s mnohem delší dobou než singletové stavy, což vede k tzv. pomalému přechodu do základního stavu, zatímco fluorescenční proces je rychlý a nazývá se rychlou složkou scintilace. V závislosti na konkrétním případě je ztráta energie na jednotku délky dráhy určité částice ( ) rozdělena na „rychlou“ a „pomalou“ emisi a nastává s různou pravděpodobností. Relativní intenzity světelného výkonu rozpadu těchto stavů se tedy liší pro různé . Tento rozdíl ve tvaru světelného pulsu je viditelný na jeho klesající straně, protože je spojen s rozpadem excitovaných tripletových stavů (obrázek 2). $dE/dx$ $dE/dx.$

Poznámky

↑ Birks, John B. Teorie a praxe scintilačního počítání. - Pergamon Press, Ltd., 1964.
↑ Knoll, Glenn F. Detekce a měření záření. - John Wiley & Sons, 2000. - ISBN 978-0-471-07338-3 .
↑ Úvod do jaderné fyziky. Krane. 1987.

Viz také

Literatura

Scintilace // Sociální partnerství - televize. - M .: Velká ruská encyklopedie, 2016. - S. 496. - ( Velká ruská encyklopedie : [ve 35 svazcích] / šéfredaktor Yu. S. Osipov ; 2004-2017, v. 31). - ISBN 978-5-85270-368-2 .