Радиоактивационный анализ - Предмет аналитической химии

Радиоактивационный анализ - метод определения элементов и изотопов. Хотя с его помощью можно в принципе определять основные компоненты, полностью потенциал метода реализуется в применении к следовому и ультраследовому элементному анализу. Метод базируется на фундаментальных понятиях и данных о структуре атомных ядер, сечениях ядерных реакций, схемах и вероятностях распада радионуклидов, энергиях излучения, а также на современных способах разделения и предварительного концентрирования микроэлементов. Другими словами, метод основан на образовании радиоактивных изотопов определяемого элемента при облучении пробы ядерными или гамма частицами и регистрации полученной при активации искусственной радиоактивности. В настоящее время имеется целый ряд разновидностей радиоактивационного анализа.

Тип распада и энергия излучения образовавшегося радиоизотопа характеризует природу искомого элемента. При облучении пробы, содержащий стабильный нуклид (А), он превращается а радионуклид (В), называемого индикаторным радионуклидом(ИРН). При этом ядерная реакция, как уже было отмечено, индуцируется при воздействии на материал мишени бомбардирующих частиц (х), которыми могут быть нейтроны, заряженные частицы (протоны, дейтроны, тритоны, 4Не и 3Не) или гамма кванты. В результате ядерная реакция может быть представлена в следующем виде:

А+х>[С]>В+у+Q

Y-испускаемые частицы.

Преобладающим механизмом ядерных реакций, используемых для активационного анализа, является образование составного ядра [С]. Этот механизм состоит из 2-х этапов:

    1) захват бомбардирующей частицы стабильным нуклидом с образованием составного ядра в возбужденном состоянии 2) релаксация(распад) составного ядра путем испускания частицы или гамма кванта

При этом время жизни составного ядра мала (релаксация составного ядра происходит за ядерное время(10-23-10-21Сек), т. е. за время, которое необходимо, чтобы бомбардирующая частица пересекла ядро нуклида).

Конкретное составное ядро, образовавшееся при захвате бомбардирующих частиц, может распадаться с различной вероятностью несколькими путями:

А+х>[С]>В1+у1

    > В2+у2 >В3+у3 и т. д.

Таким образом, поглощение ядром А налетающей частицы может привести к нескольким разным ядерным реакциям, протекающим с различной вероятностью. Число возможных реакций увеличивается с увеличением кинетической энергии бомбардирующей частицы.

Интенсивность радиоактивности изотопа А сразу после облучения пробы равна:

А=FуN (1 - e-лt)

F-плотность потока облучающих частиц (число частиц/см2); у-сечение ядерной реакции (вероятность перехода атомов атомизирующего образца в радиоактивный изотоп) (см2); N-число атомов определяемого элемента;л-постоянная распада, равная 0,693/T1/2; t-время облучения.

Через некоторое время T после облучения радиоактивность образовавшегося изотопа составляет:

АТ= FуNе-р(1 - e-лt)

N=NAMk/M

M-масса рпределяемого элемента(гр); к-относительное содержание активирующего изотопа в элементе; М-молярная масса элемента, из которого образуется радиоизотоп; NA=6,02-1023 моль-1-постоянная Авогадро. Отсюда получаем:

M= АТ M/NAFуk (1 - e-лt) (1 - e-лT)

Это абсолютный метод определения массы элемента. Но из-за сложности расчета F и у, его практически не применяют, а используют метод сравнения с близким по составу образцом с известным содержанием определяемого элемента, который облучают одновременно с исследуемой пробой. Тогда

M'X/mСт=JX/JСт

M'X, mСт-массы, JX, JСт-радиоактивности пробы и стандарта соответственно.

В зависимости от характера облучающих частиц различают 4 типа активационного анализа: нейтронноактивационный анализ на тепловых нейтронах(НАА), активационный анализ на быстрых нейтронах(БНАА), активационный анализ на заряженных частицах(ЗЧАА) и фотонный активационный анализ(ФАА).В нейтронноактивационном методе используются тепловые(медленные) нейтроны с Е=0,025эВ, способные активировать почти все химические элементы, начиная с Na. Основное преимущество нейтронов низких энергий в том, что они вызывают только одну ядерную реакцию, сечение которой, как правило, очень велико. Нейтрон захватывается ядром определяемого элемента, причем в основном происходит n, - реакции, в результате которых получается изотоп того же элемента с атомной массой на единицу большей, например

151Eu+1N=152Eu+

Образующийся дочерний изотоп обычно радиоактивен, и по его радиоактивности определяют нужный элемент. Например

152Eu=152Сd+-

    27Al (n,)28Al=28Si+- 9Be (n,)9Be=10B+-

При использовании быстрых нейтронов с энергией порядка 14МэВ возмоно протекание реакций с выделением протонов или - частиц:

    27Al (n,)27Мg=27Al+- 27Al (n, 24Na=24Мg+-

Быстрые нейтроны используют в основном для активации легких элементов (N, O, F).

Существуют различные источники нейтронов. Их действие основано на использовании ядерных реакций, сопроваждающихся выделением нейтронов, мощность потока которых может быть различной. Наиболее мощный поток дает ядерный реактор-до 1015 нейтронов/см2 -с. Нейтронные генераторы, являющиеся источником быстрых нейтронов по реакции (данная реакция протекает в водородной бомбе и на Солнце)

2H+3H=4He+1N

Обеспечивает поток до 1011 нейтронов/см2 -с.

Простейшие нейтронные источники (ампульные) содержат либо спонтанно делящиеся ядро радионуклида 252Сf (является основным компонентом ЯЗОРДов), либо однородную смесь порошков Ве и б-активного нуклида(210Po,226Ra,239Pu,244Am).Наиболее употребительны радий-бериллиевые и полоний-бериллиевые источники, которые используют реакцию

9Ве+4He=12С+1N

Поток нейтронов достигает 105-106 нейтрон/см2-с.

Одновременно с n, реакцией могут протекать и реакции иного типа с определяемым элементом, мешающие основной. Например, наряду с 35Сl (n,)36Cl идет реакция 35Сl (n, 32Р. Мешающее влияние могут оказывать и побочные (так называемые интерферирующие) реакции с элементом-основой или реакции с уже образовавшимися изотопами.

Активацию заряженными частицами (протон, дейтрон и 4He) применяют в тех случаях, когда отсутствует подходящий источник нейтронов или когда образовавшийся в результате реакции изотоп непригоден для работы, например из-за малого сечения ядерной реакции. Это касается в первую очередь легких элементов. Например, облучение протонами используется при определении азота по реакции

14N (p, n)14O=в++14N (p, б)11C+ в+

Применяют также облучение дейтронами, например при определении магния

26Mg (d, б)24Na+

При - активационном анализе используют радиоизотопы - излучатели 124Sb,241Am либо ускорители, в которых тормозное - излучение возникает при взаимодействии потока электронов с атомами ряда тяжелых металлов. Определяют в основном легкие элементы: O2, С, N2.

C использованием - лучей связан фотонно-нейтронный метод анализа, основанный на измерении интенсивности нейтронного излучения, возникающего в результате ядерной реакции с - квантами. Это специфический метод определения Be и 2H, поскольку ЕСв нуклонов только в ядрах этих элементов меньше Е - квантов радиоактивного распада. Для всех остальных ядер она больше, и для активации требуются ускорители.

Радиоактивационный анализ осуществляется в 2-х вариантах:

    1) с химической подготовкой образца (радиохимический вариант) 2) без химической подготовки образца (инструментальный вариант)

Химическая подготовка проводится либо после облучения для отделения нужных радионуклидов от мешающих, либо перед облучением с целью удаления сильно активирующих элементов или матрицы. Инструментальный вариант, в котором облученные образца исследуют без разрушения, пригоден особенно тогда, когда образующийся радионуклид характеризуется малым временем полураспада. Возможности инструментального варианта определяются уровнем развития измерительной(счетной) техники, использованием полупроводниковых детекторов и многоканальных анализаторов импульсов. Достоинством активационного анализа являются: высокая, иногда рекордная чувствительность. Предел обнаружения некоторых элементов составляет 10-11%; высокая специфичность, возможность определения большого числа элементов (до 30-35) из одной навески образца, малая величина требуемой навески; часто неразрушаемость пробы; отсутствие поправки на контрольный опыт, так как в большинстве случаев химическая обработка проводится после облучения образца. При получении тяжелых элементов ПСХЭ, таких, как Md, Rf(Ku), исследователям удавалось считать почти каждый атом полученного элемента.

К недостаткам метода можно отнести: малую доступность источников активирующих частиц (в ряде случаев требуется ядерный реактор); необходимость защиты от радиоизлучений; сложности, возникающие при анализе образцов с сильно активирующейся матрицей.

Активационный метод получил широкое распространение в анализе веществ высокой чистоты, биологических и геологических объектов, в экологических и криминалистических исследованиях. Например: при исследовании слоев торфа в районе падения Тунгузского метеорита методом нейтронно-активационного анализа обнаружено повышенное содержание Эr, что указывает на космический и, возможно, кометный состав тела. Аномально высокое содержание Эr в отложениях эпохи около 65 млн. лет назад (приведшее к массовому вымиранию биоты (биота от греч. biote жизнь-исторически сложившаяся совокупность видов живых организмов, объединенных общей областью распространения в настояшее время или в прошедшие геологические эпохи. В состав биоты входят как клеточные, так и бесклеточные организмы) подтверждает возможность столкновения Земли с космическим телом.

Также был проведен нейтронно-активационный анализ волос Исаака Ньютона в английском ядерном центре в Олдермастоне. Для исследования на присутствие Au и Hg облучение нейтронами продолжалось 5 дней, а на As, Sb, Ag-до 14 дней. Оказалось, что содержание Ме с высокой токсичностью значительно превышало нормальный уровень. Так количество Hg в волосах Ньютона в 40 раз превосходило норму. Полученные данные подтверждают предположение о том, что Ньютон в течение длительного времени болел вследствие ртутного отравления.

Применение активационного анализа позволило решить многие геохимические и общенаучные проблемы, например связанные с установлением возраста минералов и образцов органического происхождения. Например хорошо известный радиометрический способ определения возраста древних предметов и изделий органического происхождения основан на том, что в атмосфере в результате ядерной реакции постоянно образуется радиоактивный углерод 14С с периодом полураспада 5300 лет:

14N+1N=14С+1P

Нейтроны генерируются в атмосфере при взаимодействии космического излучения с веществом, а N2 является составной частью атмосферы. Радиоактивный 14С образует радиоактивный 14СО2, который вступает в биологический круговорот. Таким образом, вещества и организмы, участвующие в этом круговороте (растения, животные и т. д.), будут иметь примерно постоянную радиоактивность, пропорциональную содержанию 14С. В организмах, которые выпадают из круговорота в результате гибели, количество радиоактивного 14С не пополняется и их активность уменьшается. Таким образом, если измерить активность какого-либо древнего изделия (предмета из дерева, кожи и т. д.), то зная период полураспада 14С и общее содержание углерода в образце, можно рассчитать промежуток времени, прошедший с момента гибели организма. Этот промежуток будет характеризовать примерный возраст изделия. Анализ этим методом позволил уточнить даты многих важных событий далекой древности.

Интересным примером применения активационного анализа является предложенный недавно быстрый способ обнаружения взрывчатки. Как известно, в качестве взрывчатых веществ, обычно используют различные нитросоединения. Способ определения основан на том, что взрывчатка наряду с 14N содержит некоторое количество 15N, который при облучении 1N превращается в 16N. Этот изотоп имеет период полураспда 7с и при его распаде кроме в-частиц происходит испускание - квантов определенной энергии. Появление в-квантов с энергией, характерной для распада 16N, после облучения вещества 1N является сигналом о наличии азотсодержащегося вещества, возможно взрывчатки.

Похожие статьи




Радиоактивационный анализ - Предмет аналитической химии

Предыдущая | Следующая