niveaux d’énergie π-électroniques d’une molécule organique. S0 est l’état fondamental. S1, S2, S3 sont des états singulets excités. T1, T2, T3 sont des états triplets excités. S00, S01, S10, S11 etc. sont des sous-niveaux vibrationnels.

Dans les molécules organiques, la scintillation est un produit d’orbitales π. Les matériaux organiques forment des cristaux moléculaires où les molécules sont faiblement liées par les forces de Van der Waals. L’état fondamental de 12C est 1s2 2s2 2p2. Dans la théorie des liaisons de valence, lorsque le carbone forme des composés, l’un des électrons 2s est excité dans l’état 2p, ce qui donne une configuration de 1s2 2s1 2p3. Pour décrire les différentes valences du carbone, les quatre orbitales d’électrons de valence, une 2s et trois 2p, sont considérées comme mélangées ou hybridées dans plusieurs configurations alternatives. Par exemple, dans une configuration tétraédrique, les orbitales s et p3 se combinent pour produire quatre orbitales hybrides. Dans une autre configuration, dite configuration trigonale, l’une des orbitales p (disons pz) reste inchangée et trois orbitales hybrides sont produites en mélangeant les orbitales s, px et py. Les orbitales symétriques par rapport aux axes de liaison et au plan de la molécule (sp2) sont appelées σ-électrons et les liaisons sont appelées σ-liaisons. L’orbitale pz est appelée une orbitale π. Une liaison π se produit lorsque deux orbitales π interagissent. Cela se produit lorsque leurs plans nodaux sont coplanaires.

Dans certaines molécules organiques, les orbitales π interagissent pour produire un plan nodal commun. Ceux-ci forment des électrons π délocalisés qui peuvent être excités par rayonnement. La désexcitation des électrons π délocalisés entraîne une luminescence.

Les états excités des systèmes à électrons π peuvent être expliqués par le modèle à électrons libres périmétriques (Platt 1949). Ce modèle est utilisé pour décrire des hydrocarbures polycycliques constitués de systèmes condensés de cycles benzénoïdes dans lesquels aucun atome de C n’appartient à plus de deux cycles et chaque atome de C est à la périphérie.

L’anneau peut être approximé comme un cercle de circonférence l. La fonction d’onde de l’orbitale électronique doit satisfaire à la condition d’un rotateur plan :

ψ(x)= ψ(x +l) {\displaystyle\psi(x) =\psi(x+l)\,}

Les solutions correspondantes à l’équation d’onde de Schrödinger sont:

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) Et q = q 2 ℏ 2 2 m 0 l 2 {\displaystyle {\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\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 {aligné}}}

où q est le nombre quantique de l’anneau orbital ; le nombre de nœuds de la fonction d’onde. Puisque l’électron peut avoir des rotations ascendantes et descendantes et peut tourner autour du cercle dans les deux sens, tous les niveaux d’énergie, à l’exception des plus bas, sont doublement dégénérés.

Ce qui précède montre les niveaux d’énergie π-électronique d’une molécule organique. L’absorption du rayonnement est suivie d’une vibration moléculaire à l’état S1. Ceci est suivi d’une désexcitation à l’état S0 appelée fluorescence. La population d’états triplets est également possible par d’autres moyens. Les états triplets se désintègrent avec un temps de désintégration beaucoup plus long que les états singulets, ce qui entraîne ce qu’on appelle la composante lente du processus de désintégration (le processus de fluorescence est appelé la composante rapide). En fonction de la perte d’énergie particulière d’une certaine particule (dE / dx), les états « rapide » et « lent » sont occupés dans des proportions différentes. Les intensités relatives dans le rendement lumineux de ces états diffèrent donc pour différents dE/dx. Cette propriété des scintillateurs permet une discrimination de forme d’impulsion: il est possible d’identifier quelle particule a été détectée en regardant la forme d’impulsion. Bien entendu, la différence de forme est visible du côté arrière de l’impulsion, car elle est due à la désintégration des états excités.