Радиолюминесценция — это явление, при котором свет возникает в материале при бомбардировке ионизирующим излучением , таким как альфа-частицы , бета-частицы или гамма-лучи . Радиолюминесценция используется в качестве источника света низкого уровня для ночного освещения приборов или вывесок. Радиолюминесцентная краска иногда используется для стрелок часов и циферблатов инструментов, что позволяет читать их в темноте. Радиолюминесценцию также иногда можно наблюдать вокруг мощных источников излучения, таких как ядерные реакторы и радиоизотопы .
Радиолюминесценция возникает, когда падающая частица ионизирующего излучения сталкивается с атомом или молекулой, возбуждая орбитальный электрон на более высокий энергетический уровень. Частица обычно возникает в результате радиоактивного распада атома радиоизотопа , изотопа радиоактивного элемента. Затем электрон возвращается на свой основной энергетический уровень, излучая дополнительную энергию в виде фотона света. Химическое вещество, которое испускает свет определенного цвета при воздействии ионизирующего излучения, называется люминофором . Радиолюминесцентные источники света обычно состоят из радиоактивного вещества, смешанного с люминофором или находящегося рядом с ним.
С тех пор, как радиоактивность была обнаружена примерно в начале 20-го века, основное применение радиолюминесценции было в радиолюминесцентной краске , используемой на циферблатах часов и компасов , прицелах , лицевых панелях летных приборов самолетов и других инструментах, позволяющих их видеть в темноте. Радиолюминесцентная краска состоит из смеси химического вещества, содержащего радиоизотоп, с радиолюминесцентным химическим веществом ( люминофором ). Непрерывный радиоактивный распад атомов изотопа высвобождает частицы излучения, которые поражают молекулы люминофора, заставляя их излучать свет. Постоянная бомбардировка радиоактивными частицами вызывает химический распад многих видов люминофора, поэтому радиолюминесцентные краски теряют часть своей светимости в течение срока службы.
Радиолюминесцентные материалы также могут быть использованы в конструкции оптоэлектрической ядерной батареи — типа радиоизотопного генератора , в котором ядерная энергия преобразуется в свет.
Впервые радиолюминесценция была использована в светящейся краске, содержащей радий , природный радиоизотоп . Начиная с 1908 года, для окраски циферблатов часов и циферблатов приборов использовалась светящаяся краска, содержащая смесь радия и меди с примесью сульфида цинка , придающая зеленоватое свечение. Люминофоры, содержащие сульфид цинка, легированный медью (ZnS:Cu), дают сине-зеленый свет; Также используются сульфид цинка, легированный медью и марганцем ( ZnS:Cu,Mn ), дающий желто-оранжевый свет. Люминесцентная краска на основе радия больше не используется из-за радиационной опасности для лиц, производящих циферблаты. Эти люминофоры не подходят для использования в слоях толщиной более 25 мг/см 2 , поскольку в этом случае становится проблемой самопоглощение света. Сульфид цинка подвергается деградации структуры кристаллической решетки, что приводит к постепенной потере блеска значительно быстрее, чем истощение радия.
Экраны спинтарископа с покрытием ZnS:Ag использовались Эрнестом Резерфордом в его экспериментах по открытию атомного ядра .
Радий использовался в светящихся красках до 1960-х годов, когда его заменили другими упомянутыми выше радиоизотопами из-за проблем со здоровьем. [1] Помимо альфа- и бета-частиц , радий испускает проникающие гамма-лучи , которые могут проходить через металл и стекло циферблата часов, а также кожу. Типичный старый радиевый циферблат наручных часов имеет радиоактивность 3–10 кБк и при постоянном ношении может подвергнуть своего владельца годовой дозе в 24 миллизиверта . [1] Еще одной опасностью для здоровья является продукт его распада, радиоактивный газ радон , который представляет собой значительный риск даже при чрезвычайно низких концентрациях при вдыхании. Длительный период полураспада радия , составляющий 1600 лет, означает, что поверхности, покрытые радиевой краской, такие как циферблаты и стрелки, остаются опасными для здоровья еще долгое время после окончания срока их службы. Миллионы светящихся радиевых часов, циферблатов и компасов, а также циферблатов авиационных приборов до сих пор принадлежат населению. Случай с « Радиевыми девушками », работницами часовых заводов в начале 1920-х годов, которые красили циферблаты часов радиевой краской, а затем заразились смертельным раком, проглотив радий, когда они направляли кисти губами, повысил осведомленность общественности об опасностях радиолюминесцентных материалов. и радиоактивность в целом.
Во второй половине 20 века радий постепенно заменили краской, содержащей прометий -147. Прометий — это низкоэнергетический бета-излучатель , который, в отличие от альфа-излучателей , таких как радий, не разрушает решетку люминофора, поэтому светимость материала не будет ухудшаться так быстро. Он также не излучает проникающие гамма-лучи , которые излучает радий. Период полураспада 147 Pm составляет всего 2,62 года, поэтому через десять лет радиоактивность прометиевого циферблата снизится всего до 1/16 от его первоначального значения, что сделает его более безопасным для утилизации по сравнению с радием с периодом полураспада 1600. годы. Этот короткий период полураспада означал, что светимость прометиевых циферблатов также падала вдвое каждые 2,62 года, что давало им короткий срок службы, что привело к замене прометия тритием.
Краска на основе прометия использовалась для подсветки наконечников электрических переключателей лунного модуля «Аполлон» и была нанесена на панели управления лунного вездехода . [2]
Радиолюминесцентные материалы последнего поколения основаны на тритии — радиоактивном изотопе водорода с периодом полураспада 12,32 года, испускающем очень низкоэнергетическое бета-излучение. Его используют на циферблатах наручных часов , прицелах и знаках аварийного выхода . Газообразный тритий содержится в небольшой стеклянной трубке, покрытой изнутри люминофором . Бета-частицы , испускаемые тритием, ударяются о люминофорное покрытие и заставляют его флуоресцировать , излучая свет, обычно желто-зеленый.
Тритий используется потому, что считается, что он представляет незначительную угрозу для здоровья человека, в отличие от предыдущего радиолюминесцентного источника радия, который оказался значительной радиологической опасностью. Бета-частицы с низкой энергией 5,7 кэВ, испускаемые тритием, не могут пройти через окружающую стеклянную трубку. Даже если бы они могли, они не способны проникнуть в кожу человека. Тритий представляет угрозу для здоровья только при проглатывании или вдыхании. Поскольку тритий — это газ, при разрыве тритиевой трубки газ рассеивается в воздухе и разбавляется до безопасной концентрации. Период полураспада трития составляет 12,32 года, поэтому яркость тритиевого источника света за это время упадет вдвое от первоначального значения.
Инфракрасная радиофлуоресценция (иногда называемая радиофлуоресценцией) — это метод датирования , включающий сигнал инфракрасной (~ 880 нм) люминесценции ортоклаза в результате воздействия ионизирующего излучения . [3] Он может выявить время последнего воздействия дневного света на отложения, например, слой песка, подвергшийся воздействию света перед осаждением. [4] [5]