Szcintilláció

Szcintilláció (a latin scintillatio szóból , "villogás") - rövid időtartamú ( nanoszekundumtól mikroszekundumig tartó) lumineszcencia , amely egy folyamatos szcintillátor közeg ionizáló sugárzással ( alfa-részecskék , gamma-kvantumok , gyors elektronok, protonok és egyéb töltött részecskék ) való kölcsönhatásából ered . .

A szcintilláció jelenségét részecskék és sugárzás kimutatására használják, például a szcintillációs detektorok egyedi részecskéket regisztrálnak [1] [2] .

Történelem

A jelenséget W. Crookes fedezte fel , aki a cink-szulfid izzását figyelte meg , amikor radioaktív anyagból származó alfa-részecskékkel sugározták be.

Eredeti mechanizmus

A szcintilláció specifikus mechanizmusa és paraméterei ( spektruma , időtartama) a szcintillátortól függ, az általános elv az, hogy a folytonos közeg atomjaiból vagy molekuláiból álló elektronrendszer gerjesztett állapotba kerül, miután kölcsönhatásba lép egy töltött vagy gamma részecskével , visszatérve az alapra gerjesztetlen állapot vagy közbenső gerjesztett állapotok egy vagy több optikai fotont bocsátanak ki .

Az optikai sugárzásba átvitt energia és a villanás fényereje nagymértékben függ az elnyelt részecske ionizáló képességétől , például az alfa-részecskék és a gyors protonok által keltett izzás sokkal nagyobb, mint az elektronokkal való kölcsönhatás okozta izzás . Ezenkívül a szcintillációs intenzitás a részecske energiájától függ, ami lehetővé teszi a sugárzás energiaspektrumának meghatározását.

Szcintilláció figyelhető meg szerves anyagokban , valamint számos szervetlen anyagban - kristályokban, gázokban és folyadékokban.

A legtöbb gyakorlatban használt szcintillátor emissziós spektruma a spektrum kék és ultraibolya részében található.

Néhány szcintillátor

Szervetlen szcintillátorok

A szervetlen szcintillátorokat főként a gamma-sugárzás kimutatására használják, mivel a gamma-sugárzást a szerves anyagok rosszul nyelték el, és minél nehezebb elemeket (magasabb magtöltésű kémiai elemeket ) használnak, annál nagyobb az abszorpció. Ezért a tallium - NaI(Tl)-vel aktivált nátrium-jodid egykristályait szcintillátorként használják gamma-részecskék szcintillációs detektoraiban . A cézium-fluorid CsF egykristályokat a sebesség növelésére (csökkentik az izzás időtartamát ) használják , de ez az anyag kevésbé hatékony a fénykibocsátás szempontjából (a NaI fénykibocsátásának 5%-a) [3] .

Szerves szcintillátorok

A szerves molekulákban a szcintillációt a szénatomok -pályáin történő elektronátmenetek okozzák. A legtöbb szerves anyag szilárd állapotban molekuláris kristályokat képez , amelyekben a molekulákat gyengén kötik a van der Waals-erők . $\pi$

A szénatom alapállapota . A vegyértékkötések elmélete szerint a vegyületekben a szén egyik -elektronja az állapotba kerül , ami a szénatom állapotba való átmenetéhez vezet A szén különféle vegyértékkötéseinek leírásához a vegyértékelektronok négy pályája , egy és három , feltételezhető, hogy több különböző konfigurációban keverednek vagy hibridizálódnak. Például a tetraéder vegyértékkonfigurációban az elektronpályák és az elektronpályák egyesülve négy vegyes pályát alkotnak. Egy másik elektronkonfigurációban, a trigonális konfigurációban, az egyik -pálya (például ) változatlan marad, és három hibrid pálya jön létre keveredéssel és pályákkal. A kötéstengelyekre és a molekula síkjára ( ) szimmetrikus pályákat -elektronoknak, ezeket a kötéseket pedig -kötéseknek nevezzük. A pályát -orbitálisnak nevezzük . -kötés akkor jön létre, amikor két -pálya kölcsönhatásba lép . Ez akkor történik, ha a csomóponti síkjaik ugyanabban a síkban vannak. ${\displaystyle 1s^{2}2s^{2}2p^{2))$ $2s$ $2p$ $1s^{2}2s^{1}2p^{3}.$ $2s$ $2p$ $s$ $p^{3}$ $p$ $p_{z}$ $s,\ p_{x}$ $p_{y}$ $sp^{2}$ $\sigma$ $\sigma$ $p_{z}$ $\pi$ $\pi$ $\pi$

Egyes szerves molekulákban a -pályák kölcsönhatásba lépnek, és közös csomósíkot alkotnak. Delokalizált -elektronokat képeznek , melyeket sugárzás gerjeszthet. A delokalizált -elektronok alapállapotába való átmenet lumineszcenciát okoz. $\pi$ $\pi$ $\pi$

Az -elektron rendszerek gerjesztett állapotai a Platt által 1949 -ben javasolt külső szabad elektron modell segítségével magyarázhatók . Ezt a modellt a több összekapcsolt benzolgyűrűből álló polikondenzált szénhidrogének elektronszerkezetének leírására használják , amelyekben egyetlen szénatom sem tartozik kettőnél több gyűrűhöz, és minden további szénatom a gyűrű perifériáján található. $\pi$

Az aromás gyűrűt hosszú körként ábrázolhatjuk . Az elektronpálya hullámfüggvényének meg kell felelnie a lapos forgó feltételének: $l$

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

hol van a kör mentén a koordináta.

x

Az esetnek megfelelő Schrödinger hullámegyenlet megoldásai a következők :

{\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{igazított}}

ahol a molekulában lévő elektronok orbitális kvantumszáma vagy a hullámfüggvény csomópontjainak száma;

q

m_{0}

az elektron tömege;

\hbar

a redukált Planck-állandó .

Mivel egy elektronnak két különböző forgási iránya lehet, és mindkét irányban foroghat egy körben, a legalacsonyabb, a talajszint kivételével mindegyik kétszeresen degenerált .

Az 1. ábra egy szerves molekula -elektron energiaszintjét mutatja. A sugárzás elnyelését molekuláris rezgések és állapotba való átmenet kíséri. Ebből az állapotból átmenet következik be a fluoreszcenciával kísért állapotba , míg a triplett állapotokba való átmenetek egy része megtörténik. A triplet állapotok gerjesztése más módon is lehetséges. $\pi$ $S_{1}$ $S_{0}$

A triplett állapotokat a szingulett állapotokhoz képest jóval hosszabb ideig tartó bomlás jellemzi, ami az alapállapotba való úgynevezett lassú átmenethez vezet, míg a fluoreszcencia folyamat gyors és a szcintilláció gyors komponensének nevezzük. A konkrét esettől függően egy bizonyos részecske ( ) egységnyi úthosszra eső energiavesztesége "gyors" és "lassú" emisszióra oszlik, és eltérő valószínűséggel fordul elő. Így ezen állapotok csillapításának fénykibocsátásának relatív intenzitása különböző . A fényimpulzus alakjának ez a különbsége annak leeső oldalán látható, mivel a gerjesztett triplet állapotok bomlásával jár (2. ábra). $dE/dx$ $dE/dx.$

Jegyzetek

↑ Birks, John B. A szcintillációs számlálás elmélete és gyakorlata. - Pergamon Press, Ltd., 1964.
↑ Knoll, Glenn F. Radiation Detection and Measurement. - John Wiley & Sons, 2000. - ISBN 978-0-471-07338-3 .
↑ Bevezető atomfizika. Krane. 1987.

Lásd még

Irodalom

Szcintilláció // Szociális partnerség – Televízió. - M .: Great Russian Encyclopedia, 2016. - P. 496. - ( Great Russian Encyclopedia : [35 kötetben] / főszerkesztő Yu. S. Osipov ; 2004-2017, 31. v.). - ISBN 978-5-85270-368-2 .