Файл: Сцинтилляция Сцинтилляция от лат scintillatio, мерцание.docx

Сцинтилляция

Сцинтилля́ция (от лат. scintillatio, «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^[

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

В органических молекулах сцинтилляция вызывается электронными переходами в � -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 — 1�22�22�2 . По теории валентных связей, в соединениях один из 2� -электронов углерода переходит в состояние 2� , что переводит атом углерода в состояние 1�22�12�3.  Для описания различных валентных связей углерода четыре орбитали валентных электронов, одна 2�  и три 2�  полагаются смешанными или гибридизированными в нескольких различных конфигурациях. Например, в тетраэдрической валентной конфигурации электронные орбитали �  и �3  объединяются, образуя четыре смешанных орбитали. В другой электронной конфигурации — тригональной конфигурации, одна из � -орбиталей (например, �� ) остается неизменной, и три гибридные орбитали создаются путем смешивания �, ��  и ��

---

 орбиталей. Орбитали, симметричные относительно осей связи и плоскости молекулы (��2 ) называют � -электронами, и эти связи называются � -связями. Орбиталь ��  называется � -орбиталью. � -связь возникает при взаимодействии двух � -орбиталей. Это происходит, когда их узловые плоскости находятся в одной плоскости.

В некоторых органических молекулах � -орбитали взаимодействуют, образуя общую узловую плоскость. Они образуют делокализованные � -электроны, которые могут быть возбуждены излучением. Переход в основное состояние делокализованных � -электронов вызывает люминесценцию.

Возбужденные состояния � -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 � . Волновая функция электронной орбитали должна удовлетворять условию плоского ротатора:

�(�)=�(�+�),

где �  — координата вдоль окружности.

Соответствующие этому случаю решения волнового уравнения Шредингера:

�0=(1�)12,��1=(2�)12cos⁡(2� ���),��2=(2�)12sin⁡(2� ���),��=

---

�2ℏ22�0�2,

где �  — орбитальное квантовое число электронов в молекуле или число узлов волновой функции;

�0  — масса электрона;

ℏ  — 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 � -электронные уровни энергии органической молекулы. Поглощение излучения сопровождается молекулярной колебаниями и переходом в состояние �1  Из этого состояния происходит переход в состояние �0 , сопровождаемый флуоресценцией, при этом происходит часть переходов в триплетные состояния. Возбуждение триплетных состояний возможно и другими способами.



Рисунок 1. Электронные уровни энергии органической молекулы.
�0 −  основное состояние,
�1, �2, �3 −   возбуждённые синглетные состояния,
�1, �2, �3 −   возбуждённые триплетные состояния,
�00, �01, �10, �11   и другие — колебательные подуровни.

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 � -электронные уровни энергии органической молекулы. Поглощение излучения сопровождается молекулярной колебаниями и переходом в состояние �1  Из этого состояния происходит переход в состояние �0 , сопровождаемый флуоресценцией, при этом происходит часть переходов в триплетные состояния. Возбуждение триплетных состояний возможно и другими способами.



Рисунок 2. Типовая временна́я зависимость кривой высвечивания сцинтиллятора от единичного возбуждения ионизирующей частицей.

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 (��/�� ) разделяются на «быстрое» и «медленное» высвечивание и происходят с разной вероятностью. Таким образом, относительные интенсивности светового выхода распада этих состояний различаются для разных ��/��.  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).

---