پایان نامه ارشد با موضوع مواد معدنی، زیست شناسی

می‌رسد.
باريكه مورد استفاده در آنالیز با باریکه یونی متداول، ابعادي درحدود mm2 2×2 دارد. اما با استفاده از عدسی‌های الکترومغناطيسی مي‌توان قطر باريكه مورد استفاده در آناليز را به كمتر از چند ميكرون رساند. براي ايجاد باريكه ميكروني، به وسيله يك ديافراگم شي‌ای، قطر باريكه به كمتر از mm 9/0 كاهش مي‌‌یابد. سپس باريكه حاصل به وسيله سه عدسي از نوع چهار قطبي مغناطيسي به باريكه‌اي به قطر كمتر از μm 10 تبديل مي‌شود. براي روبش سطح نمونه به‌ وسيله باريكه ميكروني در دو راستاي x و y از سيم‌پيچ‌هاي الكترومغناطيسي كه قبل از عدسي‌هاي كانوني‌كننده قرار گرفته‌اند، استفاده مي‌شود. براي نمايش توزيع عنصري عناصر موجود در يك نمونه به صورت يك تصوير دو بعدي، بازه مناسبي از انرژي که متناظر با عنصری خاص است، در طيف حاصل از آناليز انتخاب مي‌شود. سپس باريكه كانوني شده، سطح نمونه را در راستاهاي x و y روبش مي‌كند. مكان x پرتو ایکس مشخصه گسيلی از نمونه كه به وسيله آشكارساز، آشكار مي‌شود به صورت تابعي از مكان باريكه، روي نمونه ثبت شده و تصوير توزيع عنصري را ايجاد مي‌كند [14]. تصوير كلي از قسمت‌هاي مختلف سيستم باريكه ميكروني مورد استفاده در آزمایشگاه واندوگراف در شكل (2-9) و نمايي از اتاقك آزمايش ميكروپروب هسته‌ای به همراه تصاویری از تجهيزات مورد نیاز برای آنالیز با باریکه یونی در شكل 2-6 نشان داده شده است.

شکل (2-9) تصويري از قسمت‌هاي مختلف سيستم توليد باريکه ميکرونی پروتون؛
1- چهارقطبي مغناطيسي سه‌گانه 2- جعبه روبش باريكه پروتون 3- ديافراگم همراستاساز 4- محفظه آناليز نمونه.
2-4 پديده لومينسانس
راه‌های متفاوتی برای برانگیختن الکترون‌های لایه ظرفیت به حالاتی با انرژی بالاتر در نمونه‌های مختلف وجود دارد. برای رسیدن به این مهم می‌توان نمونه را تحت تابش (تابش توسط ذرات پرانرژی و …) و یا اعمال میدان الکتریکی قوی قرار داد. اگر یک واکنش فوتوشیمیایی انجام نشده باشد، الکترون بعد از گذشت یک بازه زمانی (بسته به نوع واهلش) به حالت پایه‌اش برمی‌گردد. در بازگشت به حالت پایه، الکترون انرژی خود را به وسیله گسیل فوتون طبق رابطه زیر از دست می‌دهد:
hυ = Ee – Eg (2-10)
که در آن h ثابت پلانک، υ فرکانس نور، Ee انرژی حالت برانگیخته و Eg انرژی حالت پایه است. اگر گسیل فوتون، بر اثر برانگیختگی ترازهای الکترونی، در ناحیه فرابنفش، مرئی یا فروسرخ (UV/Vis/IR) باشد، این فرایند را به طور کلی لومینسانس می‌نامند. البته گذار به حالت پایه با اتلاف انرژی همراه است. این اتلاف انرژی ناشی از برهمکنش با اتم‌های نوسان کننده در بلور بوده و به صورت گرما تلف می‌شود.
در حال حاضر پدیده لومینسانس در علوم مختلفی همچون فیزیک، شیمی، پزشکی، زیست شناسی، نانوتکنولوژی و … کاربرد دارد [15].
پدیده لومینسانس، وابسته به نوع منبع تحریک به چند دسته تقسیم می‌شود که عبارتند از:
لومینسانس فوتونی36: برانگیختگی الکترون بر اثر جذب فوتون؛
رادیولومینسانس37: برانگیختگی بر اثر تابش عناصر رادیواکتیو؛
لومینسانس کاتدی38: بمباران نمونه با الکترون و ایجاد برانگیختگی؛

الکترولومینسانس39: اعمال میدان الکتریکی متناوب بر نمونه؛
لومینسانس شیمیایی40: برانگیختگی بر اثر واکنش‌های شیمیایی؛
بیولومینسانس41: نوع خاصی از لومینسانس شیمیایی که توسط آنزیم‌ها رخ می‌دهد؛
تریبولومینسانس42: ایجاد فرایند لومینسانس با مالش دو نمونه با هم؛
سونولومینسانس43: تحریک نمونه به وسیله امواج آلتراسونیک؛
لومینسانس یونی44.
بدیهی است که هر یک از موارد ذکر شده در بالا در نمونه‌های خاصی رخ داده و در هر نمونه‌ای ایجاد نمی‌شود. برای اطلاعات بیشتر در مورد انواع لومینسانس میتوان به مرجع شماره [16] مراجعه نمود.
این پدیده بر اساس نوع ذراتی که موجب گسیل فوتون می‌شوند، به دو دسته لومینسانس ذاتی45 و غیرذاتی46 تقسیم می‌شود. همچنین پدیده لومینسانس بر پایه طبیعت حالت‌های الکترونی، به دو فرایند اصلی فسفرسانس و فلوئورسانس تقسیم می‌شود. برای آشنایی با سازوکار پدیدهی لومینسانس، در ادامه ابتدا به بحث پیرامون طبیعت حالت‌های الکترونی و ذکر کلیاتی از این پدیده پرداخته و سپس در خصوص روش آیبیل و کاربردهای آن در زمین‌شناسی توضیحاتی ارائه می‌شود.
2-4-1 طبیعت حالت‌های الکترونی
وقتی در خصوص طبیعت حالت‌های الکترونی صحبت می‌کنیم، بایستی اوربیتال الکترونی و حالت الکترونی را از هم تشخیص دهیم. حجمی در مولکول که بالاترین احتمال یافتن الکترون در آن وجود دارد (99.9%) را اوربیتال می‌نامند. اوربیتال از روی تابع موج الکترون منفرد محاسبه شده و مستقل از الکترون‌های دیگر در مولکول فرض می‌شود. در حالی که حالت‌های الکترونی به خواص الکترون‌ها در همه اوربیتال‌ها توجه دارند. به عبارت دیگر، تابع موج یک حالت الکترونی ترکیبی از تابع موج الکترون‌ها در هر اوربیتال مولکولی است.
حالت‌های الکترونی برانگیخته و حالت گذار نیز با هم متفاوت هستند. به طور عام، حالت گذار مشابه حالت پایه برانگیخته شده ارتعاشی است. ممکن است این حالت به عنوان یک حالت برانگیخته، شامل انرژی ارتعاشی اضافه‌ای نباشد، اما هنوز در انرژی بالاتری از حالت پایه قرار دارد. در واقع یک مولکول در حالت برانگیخته، موجودیتی مستقل و کاملاً جدید است که به طور جزئی به همان مولکول در حالت پایه وابسته می‌باشد.
توزیع الکترونی حالت برانگیخته نسبت به حالت پایه نیز متفاوت است. این تفاوت شامل هندسه و بیشتر از آن نحوه شرکت آن در واکنش شیمیایی نسبت به حالت پایه مولکول می‌باشد.
حالت‌های الکترونی را می‌توان به دو دسته تقسیم نمود: حالت‌های تکتایی و حالت‌های سه‌تایی؛
حالتی که در آن همه الکترون‌ها در مولکول دارای اسپین جفت شده‌اند را حالت تکتایی می‌نامند. در حالی که حالت سه‌تایی، حالتی است که در آن اسپین یکی از الکترون‌ها جفت نشده باقی می‌ماند. انرژی این دو حالت متفاوت بوده و دارای خواص متفاوتی نیز می‌باشند. در ضمن حالت سه‌تایی همواره در سطح انرژی پائین‌تری از حالت تکتایی مشابهش قرار دارد.
2-4-2 اوربیتال‌های اتمی s,p,d,f
طبق قوانین مکانیک کوانتومی، الکترون‌ها در اتم‌های آزاد، اوربیتال‌های اتمی را اشغال می‌کنند. هر اوربیتال با انرژی مختص به خودش مشخصه‌یابی می‌شود. اوربیتال‌ها با اعداد اتمی n، l و ml تعیین می‌شوند، که n عدد کوانتومی اصلی، با مقادیر صحیح 1،2،3 و … و l عدد کوانتومی اوربیتالی با مقادیر 3،2،1،0، …، (1-n) و ml عدد کوانتومی مغناطیسی با مقادیر l، 1-l، …، 0، …، 1+-l، -l می‌باشند.
برای توصیف خواص لومینسانس اوربیتال‌های اتمی، خواص تقارنی و جهت این اوربیتال‌ها بسیار مهم می‌باشد. شکل اوربیتال‌های اتمی در فضا با عدد کوانتومی اوربیتالی l تعیین می‌شود، که برای 2،1،0 و 3 به ترتیب با حروف s، p، d و f معرفی می‌شود. عدد مربوط به جهت‌های ممکن برای اوربیتال‌ها، با مقادیر مختلف اعداد کوانتومی مغناطیسی، ml، داده می‌شود. تعداد مقادیر ممکن برای عدد کوانتومی مغناطیسی ml با قاعده (1+l2) تعیین می‌شود که 1 مورد برای اوربیتال‌های s، 3 تا برای اوربیتال‌های p، 5 تا برای اوربیتال‌های d و 7 تا برای اوربیتال‌های f می‌باشد. در مجموع تقارن پیرامون همه جهت‌گیری‌های اوربیتال‌ها، معادل و متناظر با مقادیر انرژی یکسانی هستند. چنانچه چند اوربیتال مختلف دارای انرژی یکسانی باشند، به این حالت تبهگنی گفته می‌شود. شکل (2-10) تصویر اوربیتال‌های p,d,f را نشان می‌دهد.
هر عنصر با طرحی خاص از سطوح انرژی مشخص می‌شود. تشکیل ساختار ماده معدنی با عناصر خاص موجب تغییر سطوح انرژی این عناصر می‌شود. اکنون آنها انرژی‌های متفاوت داشته و سیستم متفاوتی از سطوح انرژی را برای ماده معدنی تشکیل می‌دهند. فرایندهای توسعه دهنده سیستم‌های سطوح انرژی در مواد معدنی با نظریه‌های مختلفی در فیزیک حالت جامد از جمله نظریه میدان لیگاند، نظریه اوربیتال‌های مولکولی و نظریه منطقه‌بندی47 توصیف می‌شوند. به طور خاص این نظریه‌ها برای توصیف جذب و خواص لومینسانس مفید هستند [17].

شکل (2-10) ساختارهایی از توابع وابستگی زاویه‌ای مربوط به اوربیتال‌های P، d و f.
2-4-3 طبیعت فرایند جذب
هر حالت الکترونی (پایه یا برانگیخته) شامل تعدادی سطوح ارتعاشی است. با جذب مقداری انرژی مطابق با تغییرات مدهای ارتعاشی توسط حالت الکترونی، سطوح ارتعاشی در مولکول اضافه می‌شوند. بین سطوح ارتعاشی وابسته به حالت‌های برانگیخته مانند S1 و S2 همپوشانی وجود دارد که باید در نظر گرفته شود. مطابق قرارداد، حالت‌های تکتایی باید در یک ستون انباشته شوند، در حالی که حالت‌های سه‌تایی در ستون عمودی دیگر در طرف راست ستون تکتایی انباشته می‌شوند. همچنین باید به همپوشانی بین سطوح ارتعاشی حالت سه‌تایی T1 و مشابه آن حالت تکتایی S1 نیز توجه شود.
شکل (2-11) نمودار انرژی جزئی را برای سیستم فوتولومینسانس نشان می‌دهد.

شکل (2-11) طرح انرژی جزئی برای سیستم فوتولومینسانس (نمودار جابولانسکی)
انرژی فوتون مورد نیاز (E=hc/λ) برای تولید یک حالت برانگیخته خاص، با انرژی بین این حالت و حالت پایه‌ی نشان داده شده در شکل 2-11 متفاوت است. بنابراین یک محدوده طول موجی وجود دارد که به گذار بین دو حالت الکترونی منتهی می‌شود. یعنی، با احتمال کمی گذار از یک حالت به حالت برانگیخته به حالت مستقیم رخ میدهد، و در بیشتر موارد الکترون برانگیخته، ابتدا به ترازهای ارتعاشی یا چرخشی اطراف، که اختلاف انرژی اندکی با تراز اصلی دارند، میرود و با از دست دادن مقداری از انرژی‌اش نهایتاً به حالت پایه یا اولیهاش بر می‌گردد. بنابراین طول موج گسیلی، کمی بیشتر از طول موج مورد انتظار خواهد بود. به همین دلیل یک خط طیفی تیز نداریم و یک پیک پهن در طیف مشاهده می‌شود. در ضمن انتقال از حالت پایه به حالت سه‌تایی T1 ممنوع و غیر ممکن است، که این امر با اندکی دقت در شکل فوق، قابل درک است.
2-4-4 فرایند لومینسانس و گذارهای ممکن
فرایندهای لومینسانس را می‌توان با استفاده از حالت‌های برانگیخته‌ای که لومینسانس در آنها رخ می‌دهد، توصیف نمود. البته این حالات برانگیخته به حالت پایه در مولکول وابسته هستند.
اگرچه جذب فوتون به وسیله مولکول و متعاقب آن بازتابش فوتون و تولید لومینسانس کاملا ساده به نظر می‌رسد، لیکن برخی فرایندهای غیرتابشی وجود دارند که با تابش فوتون رقابت می‌کنند.
در فرایند گسیل نور، برانگیختگی از حالت پایه به حالات Sn و Tn، که هر دو حالت انرژی بیشتر و طول عمر کمتری از حالت پایه دارند، روی می‌دهد. در حالت برانگیخته، مولکول فعال‌تر است و تمایل دارد که هرچه سریع‌تر به وضعیت پایدارتر (یعنی حالت پایه) خود برگردد. اگر واکنش شیمیایی رخ ندهد، برای این بازگشت راه‌های مختلفی وجود دارد:
فرایندهای بدون تابش بین حالت‌های الکترونی؛
فرایندهای همراه با تابش بین حالت‌های الکترونی؛
از دست دادن انرژی از راه انتقال انرژی بین مولکولی.
فرایند سوم موضوع بحث نمی‌باشد، لیکن دو فرایند اول و دوم که به عنوان رقیب مطرح هستند، در زیر توضیح داده می‌شوند [18].
2-4-4-1 فرایندهای بدون تابش
فرایندهای سرد شدن مولکول برانگیخته، به بهترین شکل با نمودار جابولانسکی (شکل 2-11) نمایش داده می‌شود. با توجه به این نمودار، مولکولی که در حالت S0 است، در اثر جذب انرژی ناشی از تابش (فوتون و …) به یکی از حالت‌های تکتایی (مثلاً S2) برانگیخته می‌شود. این مولکول که ممکن است در یکی از حالت‌های ارتعاشی S2 باشد، از راه‌های مختلف (مثلا برخورد با یک مولکول از نوع خودش در حالت S0، برخورد با جداره ظرف و …) انرژی خود را از دست داده و به تراز صفر ارتعاشی حالت S2 سرنگون می‌شود. این عمل سرد شدن (از دست دادن انرژی) را انتقال بدون تابش48 می‌نامند که در نمودار جابولانسکی با خط مواج نمایش داده می‌شود. سپس این مولکول می‌تواند بدون از دست دادن انرژی به یکی از ترازهای ارتعاشی S1 که هم انرژی با تراز صفر