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

Основная статья: 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).

Органические сцинтилляторы

Рисунок 1. Электронные уровни энергии органической молекулы.
$S_{0}~-~$основное состояние,
$S_{1},\ S_{2},\ S_{3}~-~$ возбуждённые синглетные состояния,
$T_{1},\ T_{2},\ T_{3}~-~$ возбуждённые триплетные состояния,
$S_{00},\ S_{01},\ S_{10},\ S_{11}~$ и другие — колебательные подуровни.

В органических молекулах сцинтилляция вызывается электронными переходами в $\pi$-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 — $1s^{2}2s^{2}2p^{2}$. По теории валентных связей, в соединениях один из $2s$-электронов углерода переходит в состояние $2p$, что переводит атом углерода в состояние $1s^{2}2s^{1}2p^{3}.$ Для описания различных валентных связей углерода четыре орбитали валентных электронов, одна $2s$ и три $2p$ полагаются смешанными или гибридизированными в нескольких различных конфигурациях. Например, в тетраэдрической валентной конфигурации электронные орбитали $s$ и $p^{3}$ объединяются, образуя четыре смешанных орбитали. В другой электронной конфигурации — тригональной конфигурации, одна из $p$-орбиталей (например, $p_{z}$) остается неизменной, и три гибридные орбитали создаются путем смешивания $s,\ p_{x}$ и $p_{y}$ орбиталей. Орбитали, симметричные относительно осей связи и плоскости молекулы ($sp^{2}$) называют $\sigma$-электронами, и эти связи называются $\sigma$-связями. Орбиталь $p_{z}$ называется $\pi$-орбиталью. $\pi$-связь возникает при взаимодействии двух $\pi$-орбиталей. Это происходит, когда их узловые плоскости находятся в одной плоскости.

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

Возбужденные состояния $\pi$-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 $l$. Волновая функция электронной орбитали должна удовлетворять условию плоского ротатора:

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

где $x$ — координата вдоль окружности.

Соответствующие этому случаю решения волнового уравнения Шредингера:

${\begin{aligned}\psi _{0}&=\left({\frac {1}{l}}\right)^{\frac {1}{2}},\\\psi _{q1}&=\left({\frac {2}{l}}\right)^{\frac {1}{2}}\cos {\left({\frac {2\pi \ qx}{l}}\right)},\\\psi _{q2}&=\left({\frac {2}{l}}\right)^{\frac {1}{2}}\sin {\left({\frac {2\pi \ qx}{l}}\right)},\\E_{q}&={\frac {q^{2}\hbar ^{2}}{2m_{0}l^{2}}},\end{aligned}}$

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

$m_{0}$ — масса электрона;

$\hbar$ — 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 $\pi$-электронные уровни энергии органической молекулы. Поглощение излучения сопровождается молекулярной колебаниями и переходом в состояние $S_{1}$ Из этого состояния происходит переход в состояние $S_{0}$, 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 ($dE/dx$) разделяются на «быстрое» и «медленное» высвечивание и происходят с разной вероятностью. Таким образом, относительные интенсивности светового выхода распада этих состояний различаются для разных $dE/dx.$ 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).

См. также

• Люминесценция
• Фосфоресценция
• Флуоресценция

Литература

• Сцинтилляция // Социальное партнёрство — Телевидение. — М. : Большая российская энциклопедия, 2016. — С. 496. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 31). — ISBN 978-5-85270-368-2.
• Сцинтилля́ция // Большая политехническая энциклопедия / Авт.-сост. В. Д. Рязанцев. — М.: Мир и образование, 2011. — С. 515. — 704 с. — 2000 экз. — ISBN 978-5-94666-621-3.
• Сцинтилляция // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7.