التلألؤ (الفيزياء)

في فيزياء المادة المكثفة ، يُعرف التلألؤ ( يُلفظ / ˈsɪntɪleɪʃən / ) - ويُسمى أيضًا التألق الإشعاعي [ ^{1 ] [ 2 ] -} بأنه العملية الفيزيائية التي تُصدر فيها مادة تُسمى المُتلألئ ضوءًا فوق بنفسجيًا أو مرئيًا عند إثارتها بفوتونات عالية الطاقة ( أشعة سينية أو أشعة غاما ) أو جسيمات عالية الطاقة (مثل الإلكترونات ، أو جسيمات ألفا ، أو النيوترونات ، أو الأيونات ). ^{[ 3 ] [ 4 ]}

التلألؤ مثال على التألق الضوئي ، حيث ينبعث ضوء ذو طيف مميز بعد امتصاص الإشعاع . يمكن تلخيص عملية التلألؤ في ثلاث مراحل رئيسية: التحويل، والنقل، وانتقال الطاقة إلى مركز التألق، والتألق. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} عادةً ما يكون الإشعاع المنبعث أقل طاقة من الإشعاع الممتص، ولذلك يُعتبر التلألؤ عمومًا عملية تحويل تنازلي للطاقة.

المرحلة الأولى من التلألؤ، وهي التحويل، هي العملية التي يتم فيها امتصاص الطاقة من الإشعاع الساقط بواسطة المادة المتلألئة، مما يؤدي إلى توليد إلكترونات وفجوات عالية الطاقة في المادة. تعتمد آلية امتصاص الطاقة بواسطة المادة المتلألئة على نوع الإشعاع وطاقته. بالنسبة للفوتونات عالية الطاقة مثل الأشعة السينية (0.1 كيلو إلكترون فولت <${\displaystyle E_{\gamma }}$(أقل من 100 كيلو إلكترون فولت) وأشعة غاما (${\displaystyle E_{\gamma }}$عند طاقات تزيد عن 100 كيلو إلكترون فولت، تُعزى عملية تحويل الطاقة في التلألؤ إلى ثلاثة أنواع من التفاعلات: الامتصاص الكهروضوئي ، ^{[ 6 ]} وتشتت كومبتون ، ^{[ 7 ]} وإنتاج الأزواج ، ^{[ 8 ]} والذي لا يحدث إلا عندما${\displaystyle E_{\gamma }}$> 1022 keV، أي أن الفوتون لديه طاقة كافية لإنشاء زوج إلكترون-بوزيترون.

تختلف معاملات التوهين لهذه العمليات ، وتعتمد هذه المعاملات بشكل أساسي على طاقة الإشعاع الساقط، ومتوسط ​​العدد الذري للمادة، وكثافتها . وبشكل عام، يُوصف امتصاص الإشعاع عالي الطاقة بما يلي:

${\displaystyle I=I_{0}\cdot e^{-\mu d}}$

أين${\displaystyle I_{0}}$هي شدة الإشعاع الساقط،${\displaystyle d}$يمثل سمك المادة، و${\displaystyle \mu }$وهو معامل التوهين الخطي، وهو مجموع معاملات التوهين للمساهمات المختلفة:

${\displaystyle \mu =\mu _{pe}+\mu _{cs}+\mu _{pp}+\mu _{oc}}$

عند طاقات الأشعة السينية المنخفضة (${\displaystyle E_{\gamma }\lesssim }$عند طاقة 60 كيلو إلكترون فولت، تكون العملية السائدة هي التأثير الكهروضوئي، حيث تمتص الإلكترونات المرتبطة في المادة، وعادةً ما تكون إلكترونات النواة في الغلاف K أو L للذرة، الفوتونات بالكامل، ثم تُقذف، مما يؤدي إلى تأين الذرة المضيفة. يُعطى معامل التوهين الخطي للتأثير الكهروضوئي بالعلاقة التالية: ^{[ 6 ] [ 9 ]}

${\displaystyle \mu _{pe}\propto {\rho Z^{n} \over E_{\gamma }^{3.5}}}$

أين${\displaystyle \rho }$هي كثافة المادة الوميضية،${\displaystyle Z}$هو متوسط ​​العدد الذري،${\displaystyle n}$هو ثابت يتراوح بين 3 و 4، و${\displaystyle E_{\gamma }}$هي طاقة الفوتون. عند طاقات الأشعة السينية المنخفضة، تُفضل المواد الوميضية ذات الذرات ذات الأعداد الذرية والكثافات العالية لامتصاص الإشعاع الساقط بشكل أكثر كفاءة.

عند الطاقات الأعلى (${\displaystyle E_{\gamma }}$${\displaystyle \gtrsim }$عند طاقة 60 كيلو إلكترون فولت، يصبح تشتت كومبتون، وهو التشتت غير المرن للفوتونات بواسطة الإلكترونات المرتبطة، والذي غالبًا ما يؤدي أيضًا إلى تأين الذرة المضيفة، عملية التحويل الأكثر هيمنة. يُعطى معامل التوهين الخطي لتشتت كومبتون بالعلاقة التالية: ^{[ 7 ] [ 9 ]}

${\displaystyle \mu _{cs}\propto {\rho \over {\sqrt {E_{\gamma }}}}}$

بخلاف التأثير الكهروضوئي، فإن الامتصاص الناتج عن تشتت كومبتون مستقل عن العدد الذري للذرات الموجودة في البلورة، ولكنه يعتمد خطيًا على كثافتها.

عند طاقات أشعة غاما أعلى من${\displaystyle E_{\gamma }}$عند طاقات تزيد عن 1022 كيلو إلكترون فولت، أي طاقات أعلى من ضعف طاقة كتلة سكون الإلكترون، يبدأ إنتاج الأزواج. إنتاج الأزواج هو ظاهرة نسبية يتم فيها تحويل طاقة الفوتون إلى زوج إلكترون-بوزيترون. يتفاعل الإلكترون والبوزيترون الناتجين مع المادة المتلألئة لتوليد إلكترونات وفجوات عالية الطاقة. يُعطى معامل التوهين لإنتاج الأزواج بالمعادلتين التاليتين: ^{[ 8 ] [ 9 ]}

${\displaystyle \mu _{pp}\propto \rho Z\ln {\Bigl (}{2E_{\gamma } \over m_{e}c^{2}}{\Bigr )}}$

أين${\displaystyle m_{e}}$هي كتلة سكون الإلكترون و${\displaystyle c}$هي سرعة الضوء . لذا، عند طاقات أشعة غاما العالية، يعتمد امتصاص الطاقة على كلٍّ من كثافة ومتوسط ​​العدد الذري للمادة الوميضية. إضافةً إلى ذلك، وعلى عكس التأثير الكهروضوئي وتشتت كومبتون، يصبح إنتاج الأزواج أكثر احتمالًا مع ازدياد طاقة الفوتونات الساقطة، ويصبح إنتاج الأزواج عملية التحويل الأكثر هيمنةً عند طاقات أعلى من طاقة الفوتونات الساقطة.${\displaystyle E_{\gamma }}$~ 8 ميغا إلكترون فولت.

ال${\displaystyle \mu _{oc}}$يشمل المصطلح مساهمات أخرى (بسيطة)، مثل تشتت رايلي (المتماسك) عند الطاقات المنخفضة والتفاعلات النووية الضوئية عند الطاقات العالية جدًا، والتي تساهم أيضًا في التحويل، ومع ذلك فإن مساهمة تشتت رايلي تكاد تكون معدومة، وتصبح التفاعلات النووية الضوئية ذات صلة فقط عند الطاقات العالية جدًا.

بعد امتصاص طاقة الإشعاع الساقط وتحويلها إلى ما يسمى بالإلكترونات الساخنة والفجوات في المادة، ستتفاعل حاملات الشحنة النشطة هذه مع الجسيمات الأخرى وشبه الجسيمات في الوميض (الإلكترونات، البلازمونات ، الفونونات )، مما يؤدي إلى "حدث انهيار"، حيث يتم إنتاج عدد كبير من أزواج الإلكترون-الفجوة الثانوية حتى تفقد الإلكترونات الساخنة والفجوات طاقة كافية.

ثم تخضع أعداد كبيرة من حاملات الشحنة النشطة الناتجة عن هذه العملية لعملية التوازن الحراري (أي تبديد جزء من طاقتها) من خلال التفاعل مع الفونونات (للإلكترونات) وعمليات أوجيه (للثقوب).

تم تقدير متوسط ​​المقياس الزمني للتحويل، بما في ذلك امتصاص الطاقة والتوازن الحراري، ليكون في حدود 1 بيكو ثانية، ^{[ 5 ] [ 10 ]} وهو أسرع بكثير من متوسط ​​وقت الاضمحلال في التألق الضوئي .

المرحلة الثانية من التلألؤ هي نقل الشحنات من الإلكترونات والفجوات المتوازنة حراريًا نحو مراكز التلألؤ، ونقل الطاقة إلى الذرات المشاركة في عملية التلألؤ. في هذه المرحلة، ينتقل العدد الكبير من الإلكترونات والفجوات المتولدة خلال عملية التحويل داخل المادة. تُعد هذه المرحلة من أهم مراحل التلألؤ، إذ يحدث فيها عادةً معظم فقدان الكفاءة نتيجةً لتأثيرات مثل الاحتجاز أو إعادة التركيب غير الإشعاعي . وتنتج هذه التأثيرات بشكل رئيسي عن وجود عيوب في بلورة المادة المتلألئة، مثل الشوائب والفراغات الأيونية وحدود الحبيبات . كما يُمكن أن يُصبح نقل الشحنات عائقًا أمام توقيت عملية التلألؤ. وتُعد مرحلة نقل الشحنات أيضًا من أقل أجزاء التلألؤ فهمًا، وتعتمد بشكل كبير على نوع المادة المستخدمة وخصائص توصيل الشحنات الذاتية فيها.

بمجرد وصول الإلكترونات والفجوات إلى مراكز التلألؤ، تحدث المرحلة الثالثة والأخيرة من التلألؤ: التلألؤ. في هذه المرحلة، تُحجز الإلكترونات والفجوات في مسارات كامنة بواسطة مركز التلألؤ، ثم تتحد الإلكترونات والفجوات إشعاعيًا . ^{[ 11 ]} وتعتمد التفاصيل الدقيقة لمرحلة التلألؤ أيضًا على نوع المادة المستخدمة في التلألؤ.

• التألق الكاثودي – انبعاث الفوتونات تحت تأثير حزمة إلكترونية 
• التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني – تقنية التصوير الطبي