ТЕМА
РАДИОАКТИВНОСТЬИ АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВ
Содержание
1. Радиохимический анализ
1.1 Анализ естественныхрадиоактивных веществ
1.2 Анализ искусственныхрадиоактивных веществ
2. Радиоиндикаторные методы анализа
3. Активационный анализ
4. Методы анализа, основанные навзаимодействии излучения с веществами
4.1 Метод анализа, основанный наупругом рассеянии заряженных частиц
4.2 Метод анализа, основанный напоглощении и рассеянии P-частиц
4.3 Метод анализа, основанный напоглощении и рассеянии γ-излучения
1.РАДИОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Открытиерадиоактивности дало толчок к появлению и развитию новых направленийисследований. Само же явление нашло применение как в промышленности, так и внауке. В частности, в аналитической химии (науке, которая занимаетсяопределением качественного и количественного состава вещества) явлениерадиоактивности применяется для анализа состава и количества веществ.Оказалось, что характер испускаемого излучения является настолькоиндивидуальным для каждого атома, что его можно использовать для идентификацииэлементов. Разработано большое количество методов, позволяющих провести анализлюбого элемента и многих соединений. Существуют методы, которые позволяютпроводить определение не только в лаборатории, но и в полевых условиях,например активационный анализ, который применяется для разведыванияместорождений полезных ископаемых. В основе радиохимического анализа лежитиспользование ядерных свойств радионуклидов. С его помощью можнопроанализировать радионуклиды, встречающиеся в природе (анализ естественныхрадиоактивных веществ) и исследовать природные материалы (почву, воздух, руду ит. д.) на наличие в них радиоактивных изотопов. Кроме того, методрадиохимического анализа позволяет изучать системы искусственных радионуклидов:обнаруживать и идентифицировать радионуклиды, определять продукты распада иядерного синтеза трансурановых элементов и т. д.
1.1. Анализестественных радиоактивных веществ
Анализируяприродные радиоактивные вещества, обычно в них определяют наличие ужеизвестного радионуклида и его количество. Определение обычно проводятотносительным методом, т. е. исследуемый образец сравнивается со стандартным, вкотором количество определяемого радионуклида точно установлено. Естественныерадионуклиды определяют путем измерения их активности. Особенно широко этотспособ применяется для определения естественных радиоактивных элементов,содержащих радионуклиды с небольшим периодом полураспада, которые встречаются вничтожно малых количествах. Никаким другим способом их определить нельзя. Длядолгоживущих радионуклидов измерение их радиоактивности является не оченьэффективным, поскольку не дает высокой точности результатов. Накопленная насегодняшний день информация о характере радиоактивности природных веществпозволяет выбрать наиболее результативные методики их анализа. Такие природныематериалы, как руды (за исключением урановых), горные породы и минералы, какправило, обладают слабой радиоактивностью. Измерение их активности позволяетопределить следы радия или тория, которые находятся либо в состоянии, близком кравновесию с продуктами распада, либо после достижения такого равновесия.Количество радиоактивных компонентов обычно невелико, поэтому часто прибегают ких выделению и концентрированию. Предва- рительно образец переводят в раствор. Естественнаярадиоактивность воздуха обуславливается наличием в нем радона, торона илиактинона и их активными осадками, которые образуют радиоактивные аэрозоли. Следуетотметить, что над поверхностью океанов концентрация радионуклидов значительно меньше,чем в воздухе над континентами, например, концентрация радона над континентами имеетпорядок 10-6 Бк/см3, а над океанами 10-8 Бк/см3. Радиоактивностьпочвенного воздуха значительно выше, чем радиоактивность воздуха свободнойатмосферы (10-3 Бк/см3), а наиболее велика радиоактивность воздухашахт, особенно если там добывают урановую руду.
Природнаявода может содержать до 0,5 кБк/л радия идо 30 мкг урана. В области урановыхместорождений концентрации радионуклидов значительно выше: до 0,8 кБк/л радия идо 90 мг урана.
1.2. Анализискусственных радиоактивных веществ
Анализискусственных радиоактивных веществ (т. е. тех, которые возникли в результатеядерных реакций, продуктов реакций деления и ядерного синтеза трансурановыхэлементов) гораздо сложнее, чем анализ естественных радиоактивных материалов.Дело в том, что, анализируя природные вещества, чаще всего приходитсяопределять количество заранее известного радионуклида. В отличие от этого,образцы искусственных радиоактивных веществ обычно состоят из радионуклидовразных видов (как известных, так и неизвестных; и их необходимо дополнительноидентифицировать. Поэтому качественный анализ искусственных радиоактивныхвеществ включает два этапа:
1)обнаружение излучения и описание его свойств;
2)распознавание радионуклида, которому принадлежит обнаруженное излучение. Видизлучения радионуклида определяется в процессе изучения его прохождения черезвоздух и другие материалы.
Энергиюизлучения определяют, измеряя пробег или величину слоя поглощения в веществе,через которое проходит излучение. Кроме того, для идентификации радионуклидаиспользуется период полураспада. Если нужно распознать неизвестный радионуклид,то в первую очередь устанавливают характеристики наблюдаемого излучения (еговид, энергию, период полураспада). Целью распознавания является определениезаряда Z и атомной массы А радионуклида Установив эти характеристики, возможновыяснить, какому именно химическому элементу соответствует наблюдаемаяактивность. Это делается следующим образом: из всех элементов отбирается тот,который хотя бы водной химической реакции проявляет аналогичную активность. Егоназывают носителем.
2. РАДИОИНДИКАТОРНЫЕМЕТОДЫ АНАЛИЗА
Радиоиндикаторныеметоды используются для того, чтобы исследовать качественный состав системы входе реакции. В анализируемую систему (т. е. ту, которая содержит определяемыйэлемент или соединение) вводится меченое соединение (радионуклид илинеизотопный радиоактивный реагент), после чего измеряется удельная активностьсистемы и устанавливается изменение удельной активности, а также изменениеизотопного состава и др. характеристики системы.
Методмеченых атомов
Воснове метода меченых атомов лежит тот факт, что химические свойстварадиоактивных и нерадиоактивных изотопов одинаковы Эго означает, что вхимических реакциях из исходных веществ в продукты будут переходить равныечасти обоих типов изотопов. Но это можно использовать на практике только в томслучае, если радиоактивный и стабильный изотопы находятся в состоянииидеального однородного распределения в химической системе, причем напротяжениивсех исследуемых процессов однородность распределения (изотопныйсостав) не изменяется. Тогда можно проследить, во-первых, как меняетсяконцентрация исследуемого соединения в ходе реакции, а во-вторых — на какихэтапах протекания реакции с ним начинают происходить изменения. Качественноеисследование меченого элемента или его соединения проводят, обнаруживаярадиоактивность, а количественное замеряя величину радиоактивности.
Изогромного множества радионуклидов, известных на сегодняшний день, тольконекоторые из них можно использовать в качестве индикаторов. При этом вовнимание принимаются как физические и химические свойства радионуклида, так иэкономические характеристики (доступность, дешевизна).
Основныепоказатели, которые принимают во внимание при выборе индикатора:
—период полураспада;
—вид и энергия излучения;
—доступность радионуклида;
—химическая и радиоактивная чистота:
—химическая форма.
Периодполураспада радионуклида, который собираются использовать в качестве индикатора,не должен быть слишком маленьким. Если продолжительность эксперимента превышаетпериод полураспада в 10 и более раз, то такой радионуклид использовать вдлительном эксперименте нельзя. Непригодны для радиоиндикаторного метода идолгоживущие радионуклиды, т. к. в большинстве случаев они испускают излучениес низкой энергией. Наиболее подходящими являются радионуклиды с периодомполураспада от нескольких часов до нескольких месяцев.
Видизлучения радионуклида имеет не меньшее значение, чем период полураспада,а-излучение имеет слишком малый пробег, а излучение — слишком большуюпроникающую способность, что делает работу с ним небезопасной. Поэтому наиболеешироко применяют радионуклиды, испускающие Р-излучение. При работе с ними легкообеспечить безопасность человека. Кроме того, существует множество приборов,позволяющих измерить активность р-излучения. Наиболее эффективны радионуклиды,испускающие коротковолнокое Р-излучение с энергией Е > 0,3 МЭВ. Длядлинноволнового р-излучения применяются специальные счетчики. Радионуклиды,используемые в качестве индикаторов, должны быть доступны в приготовлении. В первуюочередь это радионуклиды, которые получают в ядерном реакторе.
Химическаяформа и степень очистки вещества также влияют на то, насколько доступен будетрадиоиндикатэр, в том числе и по стоимости.
Химическаяи радиохимическая чистоте радиоиндикатора должна быть очень высокой, т. е.вещество должно иметь минимум посторонних химических элементов или соединений, испускающихизлучение. Если нет возможности обеспечить отсутствие посторонних радиоактивныхвеществ и элементов, то нужно, чтобы эти загрязнения были известны и их влияниеможно было бы оценить и учесть. Если же распознать радиоактивное загрязнениенельзя, то радиоиндикаторный метод даст ошибочный результат.
Химическаяформа радиоактивного индикатора и определяемого вещества должна быть одинакова,т. е. индикатор и исследуемое вещество должны иметь одинаковый количественный икачественный состав молекулы (химическую формулу). Это особенно важно для элементов,которые могут находиться в нескольких степенях окисления и образовыватьнесколько разных соединений с одним и тем же элементом.
3.АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
Активационныйанализ является методом, который наиболее широко используется для обнаружения иидентификации химических элементов. Впервые он был применен в 1936 г, когдаХевеши и Леви с помощью активации нейтронами определили следы диспрозия (Dy) ииттрии (Y).
Сущностьметода заключается в том, что исследуемый (нерадиоактивный) образец подвергаетсяоблучению, а затем, замеряя активность полученного радионуклида, устанавливаютего количество, соответствующее количеству исследуемого вещества. Облучениепроводится потоком бомбардирующих частиц, чаще всего — нейтронов, хотя иногдаактивация проводится заряженными частицами или γ-квантами. Если образецбомбардируется нейтронами, то метод носит название нейтронно актиоационногоанализа. Другие способы активации не имеют отдельных названий и используютсятолько в специальных случаях, когда исследуемый элемент но активируетсянейтронами или активируется со слишком малым выходом.
Активность,а значит, и количество радионуклида, образующегося в результате ядерной реакциипри активации образца, прямо пропорциональны массе определяемого элемента вобразце. Следовательно, по измеренной интенсивности излучения данногорадионуклида в образце можно установить колитгетво исследуемого вещества,подвергнутого активизации.
Обычнопри облучении образца возникает смесь радиоактивных изотопов различных другихэлементов, кроме определяемого. Их нужно разделить таким образом, чтобырадиоизотоп исследуемого вещества не имел примесей. Для радиохимическогоразделения компонентов облученный образец переводят в раствор.
Кромеколичественного анализа образца, активационный анализ позволяет проводить икачественные исследования, т. е. идентифицировать образовавшиеся радионуклиды.Это можно сделать, опираясь на три ядерно-физические характеристики: типиспускаемого излучения, период полураспада и энергия испускаемого излучения.Некоторые трудности появляются, когда нужно провести распознавание составасложных смесей. В этом случае смесь сначала разделяют на компоненты, а затемидентифицируют каждый из них в отдельности.
радиоактивный вещество радиоиндикаторный анализ
4.МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
Провестианализ нерадиоактивного вещества можно без его активации. Часто используютсяреакции взаимодействия ядерного и рентгеновского излучений с веществом, котороеих поглощает или рассеивает, но активация исследуемого вещества не происходит.В основе методов, базирующихся на этом явлении, лежат следующие принципы:
— упругое рассеяние α-частиц;
-поглощениеи рассеяние β-частиц и γ-квантов;
-возникновениерентгеновского характеристического излучения;
-поглощениеи замедление нейтронов и др.
4.1Метод анализа, основанный на упругом рассеянии заряженных частиц
Тяжелыезаряженные частицы (24Не (γ-частицы), 73Li)проходят через анализируемую среду, взаимодействуя с атомами вещества. При этомнаиболее важными видами взаимодействия являются упругое рассеяние на ядрахопределяемого элемента, ионизация (обрыв электрона,) и возбуждение атомовопределяемого элемента, а также торможение заряженных частиц. Однако упругоерассеяние происходит чаще всего. Надо сказать, что возникает оно в результатекулоновского взаимодействия ядра и заряженной частицы.
Рассматриваемыйметод анализа основан на том, что кинетическая энергия падающей частицы неравна кинетической энергии рассеянной частицы. Для идентификации вещества используютотношение кинетической энергии частицы Е после упругого соударения к ееисходной энергии Ео. В результате получают спектр, расположениепиков на котором является индивидуальной характеристикой вещества. По величинепиков судят о количестве исследуемого вещества (чем пик выше, тем большеконцентрация). Полученные пики сравнивают со стандартными пиками известныхвеществ.
Послеидентификации вещества устанавливают его концентрацию, сравнивая высотуэкспериментального пика с пиком того же вещества известной концентрации.
4.2Метод анализа, основанный на поглощении и рассеянии β-частиц
Проходячерез анализируемое вещество, β-частииы вступают в реакции взаимодействиякак на атомных ядрах, так и в электронных оболочках атомов. При этом энергия β-частицуменьшается, а направление их движения изменяется, т. е. происходит рассеяние.
Потеряэнергии β-частиц происходит вследствие неупругих соударений с ядрамиатомов и электронами. При этом β-частица будет всегда отклоняться отисходного направления движения на угол, который зависит от исходнойэнергиичастицы, и от энергии, потерянной ею при взаимодействии
Приупругом рассеянии β-частица изменяет направление движения, но полнаяэнергия системы не меняется. Угол, на который отклоняется частица, зависит отее скорости и от массового числа элемента. Масса β-частицы и атомного ядраочень различаются, поэтому частица отклоняется сильно, особенно если βизлучение имеет низкую энергию. Кроме того, отклонение на большой угол возникаети тогда, когда β частица пролетает вблизи ядра. Но чаще всего βчастицы движутся на большом расстоянии от ядра и отклоняются на меньшие углы. Анализпо β-поглощению основан па том, что поглощение β-излучения зависит ототношения заряда к массовому числу исследуемого элемента (Z/A)Обычно это отношение колеблется в пределах от 0,4 до 0,5, но исключениесоставляет водород (Z/A=1), поэтомуего поглощающая способность вдвое больше, чем у остальных элементов, т е если ванализируемом веществе вместе с водородом находится еще какой-нибудь один элемент,то, измеряя поглощение β-излучения в анализируемом образце, можноопределить его с высокой точностью.
Другойспособ использования анализа по поглощению (β-излучения основан на том,что с изменением химического состава вещества изменяется его плотность. Вслучае двухкомпонентной системы можно, измеряя поглощение, определятьконцентрации растворов и составы смесей (т. е. осуществлять количественныйанализ). Однако это возможно только в случае абсолютного отсутствия примесей висследуемой системе.
Вметоде β-рассеяния измеряют интенсивность β-излучения, рассеянногоанализируемым образцом. Эта интенсивность является индивидуальнойхарактеристикой элемента.
4.3Метод анализа, основанный на поглощении и рассеянии γ излучения
Привзаимодействии γ-квантов, энергия которых мала, с веществами большую рольиграет фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Это явление состоит в том, чтопрактически вся энергия γ-кванта передается одному из электронов атома,который из-за избытка энергии отрывается от атома. Испускаемый электронприобретает кинетическую энергию, равную разности энергии исходного γ-квантаи энергия электрона в атоме.
Послевысвобождения электрона происходит мгновенное заполнение электронного уровня,сопровождавшееся характеристическим рентгеновским излучением. Энергия этогоизлучения часто сразу же передается наиболее слабо связанному наружномуэлектрону, который вылетает из этома. Такие электроны называются электронамиОже. Фотоэлектроны теряют свою энергию в тех же процессах, что и β-излучение.
Анализпо поглощению γ-квантов основан на изменении плотности потока γ- илирентгеновского излучения при прохождении через вещество. Степень поглощенияфотонного излучения является основной характеристикой вещества в этом методе.
Методыанализа, основанные на рассеянии γ-излучения, используются в тех случаях,когда к исследуемому образцу нет доступа с двух сторон. В основе метода лежиттот факт, что интенсивность рассеянного γ-излучения зависит от энергиипадающего излучения, атомного номера определяемого элемента, толщины образца исхемы исследования. При возрастании заряда определяемого элемента ванализируемом образце увеличивается плотность потока рассеянного γ-излучения.