Szintillation (Physik)
In organischen Molekülen ist die Szintillation ein Produkt von π-Orbitalen. Organische Materialien bilden molekulare Kristalle, bei denen die Moleküle durch Van-der-Waals-Kräfte locker gebunden sind. Der Grundzustand von 12C ist 1s2 2s2 2p2. In der Valenzbindungstheorie wird, wenn Kohlenstoff Verbindungen bildet, eines der 2s-Elektronen in den 2p-Zustand angeregt, was zu einer Konfiguration von 1s2 2s1 2p3 führt. Um die unterschiedlichen Wertigkeiten von Kohlenstoff zu beschreiben, werden die vier Valenzelektronenorbitale, ein 2s und drei 2p, in mehreren alternativen Konfigurationen als gemischt oder hybridisiert angesehen. In einer tetraedrischen Konfiguration kombinieren sich beispielsweise die s- und p3-Orbitale zu vier Hybridorbitalen. In einer anderen Konfiguration, die als trigonale Konfiguration bekannt ist, bleibt eines der p-Orbitale (z. B. pz) unverändert und drei Hybridorbitale werden durch Mischen der s-, px- und py-Orbitale erzeugt. Die Orbitale, die symmetrisch zu den Bindungsachsen und der Ebene des Moleküls (sp2) sind, werden als σ-Elektronen bezeichnet, und die Bindungen werden σ-Bindungen genannt. Das pz-Orbital wird als π-Orbital bezeichnet. Eine π-Bindung tritt auf, wenn zwei π-Orbitale interagieren. Dies geschieht, wenn ihre Knotenebenen koplanar sind.
In bestimmten organischen Molekülen interagieren π-Orbitale, um eine gemeinsame Knotenebene zu erzeugen. Diese bilden delokalisierte π-Elektronen, die durch Strahlung angeregt werden können. Die De-Anregung der delokalisierten π-Elektronen führt zur Lumineszenz.
Die angeregten Zustände von π-Elektronen-Systemen können durch das Perimeter-Freie-Elektronen-Modell (Platt 1949) erklärt werden. Dieses Modell wird zur Beschreibung polyzyklischer Kohlenwasserstoffe verwendet, die aus kondensierten Systemen von Benzoloidringen bestehen, in denen kein C-Atom zu mehr als zwei Ringen gehört und jedes C-Atom an der Peripherie liegt.
Der Ring kann als Kreis mit Umfang l angenähert werden. Die Wellenfunktion des Elektronenorbitals muss die Bedingung eines Ebenenrotators erfüllen:
ψ ( x ) = ψ ( x + l ) {\displaystyle \psi (x)=\psi (x+l)\,}
Die entsprechenden Lösungen der Schrödinger-Wellengleichung sind:
ψ 0 = ( 1 l ) 1 2 ψ q 1 = (2 l ) 1 2 cos (2 π q x l ) ψ q 2 = (2 l ) 1 2 sin (2 π q x l ) Und q = q 2 ℏ 2 2 m 0 l 2 {\displaystyle {\begin{1}\psi _{0}&=\links({\frac {1}{l}}\rechts)^{\ {1}{2}}\\\ psi _{q1}&=\links({\frac {2}{l}}\rechts)^{\frac {1}{2}}\cos {\links({\frac {2\pi \ qx}{l}}\rechts)}\\\psi _{q2}&=\links({\frac {2}{ {}\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}}}
wobei q die Orbitalringquantenzahl ist; die Anzahl der Knoten der Wellenfunktion. Da das Elektron Spin up und Spin down haben kann und sich in beiden Richtungen um den Kreis drehen kann, sind alle Energieniveaus außer den niedrigsten doppelt degeneriert.
Das obige zeigt die π-elektronischen Energieniveaus eines organischen Moleküls. Auf die Absorption von Strahlung folgt eine molekulare Vibration in den S1-Zustand. Es folgt eine De-Anregung in den S0-Zustand, die Fluoreszenz genannt wird. Die Population von Triplettstaaten ist auch auf andere Weise möglich. Die Triplettzustände zerfallen mit einer viel längeren Zerfallszeit als Singulettzustände, was zu der sogenannten langsamen Komponente des Zerfallsprozesses führt (der Fluoreszenzprozess wird als schnelle Komponente bezeichnet). Abhängig vom jeweiligen Energieverlust eines bestimmten Teilchens (dE / dx) sind die Zustände „schnell“ und „langsam“ in unterschiedlichen Anteilen besetzt. Die relativen Intensitäten in der Lichtleistung dieser Zustände unterscheiden sich somit für verschiedene dE/dx. Diese Eigenschaft von Szintillatoren ermöglicht eine Unterscheidung der Pulsform: Es ist möglich zu identifizieren, welches Partikel durch Betrachten der Pulsform detektiert wurde. Natürlich ist der Formunterschied in der nachlaufenden Seite des Pulses sichtbar, da er auf den Zerfall der angeregten Zustände zurückzuführen ist.