Scintilaţie

Scintilație (din latină scintillatio , „pâlpâire”) - luminescență de scurtă durată (care durează de la nanosecunde la microsecunde ) rezultată din interacțiunea unui mediu scintilator continuu cu radiația ionizantă ( particule alfa , cuante gamma , electroni rapizi, protoni și alte particule încărcate ) .

Fenomenul de scintilație este folosit pentru a detecta particule și radiații, de exemplu, detectoarele de scintilație înregistrează particule individuale [1] [2] .

Istorie

Fenomenul a fost descoperit de W. Crookes , care a observat strălucirea sulfurei de zinc atunci când a fost iradiată cu particule alfa din material radioactiv.

Mecanism de origine

Mecanismul și parametrii specifici ( spectrul , durata) de scintilație depind de scintilator, principiul general este că sistemul electronic de atomi sau molecule dintr-un mediu continuu intră într-o stare excitată după ce a interacționat cu o particulă încărcată sau cu o particulă gamma și pe revenirea la starea de bază neexcitată sau stările excitate intermediare emit unul sau mai mulți fotoni optici .

Energia transferată în radiația optică și luminozitatea blițului depind în mare măsură de capacitatea de ionizare a particulei absorbite, de exemplu, strălucirea cauzată de particulele alfa și protonii rapidi este mult mai mare decât strălucirea cauzată de interacțiunea cu electronii . În plus, intensitatea scintilației depinde de energia particulei, ceea ce face posibilă determinarea spectrului de energie al radiației.

Scintilația este observată în substanțele organice , precum și în multe materiale anorganice - cristale, gaze și lichide.

Spectrul de emisie al celor mai multe scintilatoare utilizate practic se află în părțile albastre și ultraviolete ale spectrului.

Unele scintilatoare

Scintilatoare anorganice

Scintilatoarele anorganice sunt folosite în principal pentru a detecta radiațiile gamma, deoarece radiațiile gamma sunt slab absorbite de materialele organice, iar elementele mai grele (elementele chimice cu o sarcină nucleară mai mare ) sunt utilizate, cu atât absorbția este mai mare. Prin urmare, monocristalele de iodură de sodiu activate cu taliu NaI(Tl) sunt utilizate ca scintilatoare în detectoarele de scintilație ale particulelor gamma . Fluorura de cesiu CsF monocristale sunt folosite pentru a crește viteza (reduce durata strălucirii ) , dar acest material este mai puțin eficient în ceea ce privește puterea luminoasă (5% din puterea luminoasă a NaI) [3] .

Scintilatoare organice

În moleculele organice, scintilația este cauzată de tranzițiile electronice în orbitalii atomilor de carbon. Majoritatea substanțelor organice în stare solidă formează cristale moleculare , în care moleculele sunt slab legate de forțele van der Waals . $\pi$

Starea fundamentală a atomului de carbon este . Conform teoriei legăturilor de valență , în compuși, unul dintre electronii carbonului intră în starea , ceea ce duce la tranziția atomului de carbon la starea Pentru a descrie diferitele legături de valență ale carbonului, patru orbiti ai electronilor de valență , unu și trei , se presupune că sunt amestecați sau hibridizați în mai multe configurații diferite. De exemplu, în configurația de valență tetraedrică, orbitalii electronilor și se combină pentru a forma patru orbitali mixți. Într-o altă configurație electronică, configurația trigonală, unul dintre orbitalii - (de exemplu, ) rămâne neschimbat, iar trei orbitali hibrizi sunt creați prin amestecare și orbitali. Orbitalii care sunt simetrici față de axele de legătură și planul moleculei ( ) se numesc -electroni, iar aceste legături se numesc -legături. Orbitalul se numește -orbital. -legătura apare atunci când doi orbitali interacționează . Acest lucru se întâmplă atunci când planurile lor nodale sunt în același plan. $1s^{2}2s^{2}2p^{2}$ $2s$ $2p$ $1s^{2}2s^{1}2p^{3}.$ $2s$ $2p$ $s$ $p^{3}$ $p$ $p_{z}$ $s,\p_{x}$ $p_{y}$ $sp^{2}$ $\sigma$ $\sigma$ $p_{z}$ $\pi$ $\pi$ $\pi$

În unele molecule organice, orbitalii interacționează pentru a forma un plan nodal comun. Ei formează electroni delocalizați , care pot fi excitați de radiații. Tranziția la starea fundamentală a electronilor delocalizați provoacă luminiscență. $\pi$ $\pi$ $\pi$

Stările excitate ale sistemelor de electroni pot fi explicate folosind modelul de electroni liberi externi propus de Platt în 1949. Acest model este folosit pentru a descrie structura electronică a hidrocarburilor policondensate , constând din mai multe inele benzenice legate , în care niciun atom de carbon nu aparține mai mult de două inele, iar fiecare alt atom de carbon este situat la periferia inelului. $\pi$

Un inel aromatic poate fi reprezentat ca un cerc de lungime . Funcția de undă a orbitalului electronic trebuie să satisfacă condiția rotatorului plat: $l$

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

unde este coordonata de-a lungul cercului.

X

Soluțiile ecuației de undă Schrödinger corespunzătoare acestui caz sunt :

{\begin{aliniat}\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{aliniat}}

unde este numărul cuantic orbital de electroni dintr-o moleculă sau numărul de noduri ale funcției de undă;

q

m_{0}

este masa electronilor;

\hbar

este constanta Planck redusă .

Deoarece un electron poate avea două direcții diferite de spin și se poate roti în ambele direcții într-un cerc, toate, cu excepția celui mai jos, la nivelul solului, sunt dublu degenerate .

Figura 1 prezintă nivelurile de energie -electron ale unei molecule organice. Absorbția radiațiilor este însoțită de vibrații moleculare și o tranziție la stare Din această stare are loc o tranziție la starea , însoțită de fluorescență , în timp ce unele dintre tranzițiile la stări triplete au loc. Excitarea stărilor triplete este posibilă și în alte moduri. $\pi$ $S_{1}$ $S_{0}$

Stările triplete se caracterizează prin degradarea cu un timp mult mai lung decât stările singlet, ducând la așa-numita tranziție lentă la starea fundamentală, în timp ce procesul de fluorescență este rapid și se numește componenta rapidă a scintilației. În funcție de cazul specific, pierderea de energie pe unitatea de lungime a drumului unei anumite particule ( ) este împărțită în emisie „rapidă” și „lentă” și are loc cu probabilități diferite. Astfel, intensitățile relative ale ieșirii luminii de dezintegrare a acestor stări diferă pentru diferite . Această diferență în forma pulsului de lumină este vizibilă pe partea de cădere, deoarece este asociată cu decăderea stărilor de triplete excitate (Figura 2). $dE/dx$ $dE/dx.$

Note

↑ Birks, John B. Theory and practice of scintillation counting. - Pergamon Press, Ltd., 1964.
↑ Knoll, Glenn F. Radiation Detection and Measurement. - John Wiley & Sons, 2000. - ISBN 978-0-471-07338-3 .
↑ Introducere în fizica nucleară. Krane. 1987.

Vezi și

Literatură

Sclipire // Parteneriat social - Televiziune. - M .: Marea Enciclopedie Rusă, 2016. - P. 496. - ( Marea Enciclopedie Rusă : [în 35 de volume] / redactor-șef Yu. S. Osipov ; 2004-2017, v. 31). - ISBN 978-5-85270-368-2 .