Радиационные методы анализа

Радиоактивность (от лат. radio — излучаю, radius — луч и …aktivus — действенный) — способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием частиц. К радиоактивным превращениям относят: альфа-распад, все виды бета-распада (с испусканием электрона, позитрона или с захватом орбитального электрона), спонтанное деление ядер, протонная и двупротонная радиоактивность, двунейтронная радиоактивность и другие виды распадов.

С уменьшением длины волны (увеличением частоты излучения /) в соответствии с формулой Планка энергия квантов W растёт и следует ожидать увеличения проникающей способности излучения.

где h = 6,626−10 ³⁴ Дж-с.

Обычно энергия гамма-квантов лежит в диапазоне от тысячных долей до I пДж.

В радиационном контроле используют в основном три вида ионизирующих излучений: рентгеновское, гаммаи нейтронное. Источниками рентгеновского излучения в промышленности служат ускорители электронов (рентгеновские аппараты, микротроны, бетатроны, линейные ускорители и т. п.) и источники ji- излучения. Для получения гамма-излучения применяют в основном радиоактивные источники. Гамма-излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны короче 0,1 нм (частотой свыше 3−10¹⁸ Гц). Оно обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.с. является потоком частиц — гаммаквантов. Источниками нейтронов служат ядерные реакторы, радионуклидные (от радио… и лат. nucleus — ядро) источники и ускорители заряженных частиц (генераторы).

Радиационные измерения (ГОСТ 8.594−2002) — измерения величин и параметров, характеризующих источники и поля ионизирующих излучений, а также радиационное облучение объектов.

Радиационный контроль — радиационные измерения, выполняемые для контролируемого объекта (объекты окружающей среды, сырьё, материалы, изделия, продукты, отходы производства, процессы, условия проживания и производственной деятельности и нр.) с целью определения степени соблюдения требований установленных норм (включая ненревышение установленных уровней) или для наблюдения за состоянием объекта.

Радиоизотопный прибор (ГОСТ 14 336−87) — радиационноинформационное устройство, принцип действия которого основан на использовании результатов взаимодействия ионизирующего излучения с объектом контроля, имеющее в своём составе закрытый радионуклидный источник излучения.

Абсорбционный радиоизотопный прибор — использует ослабление ионизирующего излучения при прохождении его через объект контроля.

Альбедный (от лат. albus — белый) радиоизотопный прибор — использует отражение ионизирующего излучения от объекта контроля.

Альбедно-абсорбционный радиоизотопный прибор — использует результаты взаимодействия ионизирующего излучения с объектом контроля, обусловленные прохождением излучения через объект контроля, отражением от среды за ним и вторичным прохождением через объект контроля.

Эмиссионный радиоизотопный прибор — использует вторичное ионизирующее излучение, возбуждаемое в объекте контроля ионизирующим излучением от блока источника радиоизотопного прибора.

Радиоизотопный толщиномер — измеряет толщину или среднее значение поверхностной плотности контролируемого материала.

Радиоизотопный плотномер — измеряет среднее значение плотности контролируемых сред.

Радиоизотопный влагомер — измеряет среднее значение объемной влажности материалов и сред.

Радиоизотопный уровнемер — измеряет уровень раздела двух сред.

Радиоизотопный концентратомер — измеряет количественное содержание заданных компонентов в жидких, твёрдых или газовых средах.

В группу радиоаналитических методов входят ядернофизические и радиохимические методы: радиоактивационный анализ, метод радиоактивных индикаторов, изотопное разбавление, мёссбауэровская (Р. Мёссбауэр, R. Mossbauer — немецкий физик, 1929 — 2001) спектроскопия. Все они связаны с явлениями радиоактивности, только в методе радиоизотопного разбавления иногда применяют стабильные изотопы.

Можно выделить четыре основных метода радиоизотопного анализа:

• — радиоактивационный;
• — радиоиндикаторный и изотопного разбавления;
• — основанный на поглощении и рассеянии излучений;
• — радиометрический.

Радиоактивационный анализ — один из наиболее чувствительных методов определения ряда элементов.

Его суть заключается в облучении анализируемого объекта у-лучами, протонами, а-частицами, нейтронами, в этом случае анализ называют нейтронно-активационным, и регистрации образующейся радиоактивности. Эта радиоактивность является результатом захвата ядрами определяемых элементов нейтронов или других частиц с образованием радионуклидов тех же или других элементов. По характеру возникающей радиоактивности судят о природе элемента, а по интенсивности — о количестве определяемого элемента.

Интенсивность радиоактивности радиоизотопа А сразу после облучения пробы равна.

где F — плотность потока облучающих частиц, число частиц; N — число атомов определяемого элемента; X — постоянная распада; t — время облучения.

Через некоторое время Т после облучения радиоактивность образовавшегося изотопа Л / уменьшится и будет равна.

шк.

где N = 6,02−10²³ —; m — масса определяемого компонента; М

к — относительное содержание активируемого изогона в элементе; М — молярная масса элемента, из которого образуется радиоизотоп.

Откуда.

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

где /и, и m_cm — массы; 1_Х и /"" - радиоактивности пробы и стандарта соответственно.

В зависимости от характера облучающих частиц различают несколько типов активационного анализа. Наиболее распространён нейтронно-активационный анализ, в котором используют тепловые (медленные) нейтроны с энергией около 0,025 эВ.

Радиоактивационный анализ осуществляют в двух вариантах: с химической подготовкой образца (радиохимический вариант) или без неё (инструментальный вариант).

Этот метод наиболее пригоден для определения элементов, лучше всего поглощающих первичный поток нейтронов или других частиц: золото, сурьма, кобальт, ряд лантанидов, при этом предел обнаружения достигает 10 ¹⁰ %. Поскольку образуется несколько дочерних радиоактивных элементов, существенное значение имеет система регистрации — излучение разных элементов надо регистрировать раздельно.

Достоинствами активационного анализа являются: высокая чувствительность (до 10 ¹¹ %) и простота градуировки, селективность, возможность определения большого числа элементов (до 30 — 35) из одной навески образца, малая величина требуемой навески, он является нсразрушающим и легко автоматизируется.

К недостаткам метода можно отнести малую доступность источников излучения, необходимость защиты от радиации, сложности, возникающие при анализе образцов с сильно активирующей матрицей.

Метод радиоактивных индикаторов («меченых атомов») широко используется в аналитической практике. Он позволяет судить о поведении элементов в различных химических и биологических процессах, в том числе при их разделении и концентрировании в ходе анализа. Метод базируется на том факте, что радиоактивные элементы ведут себя точно так, как эти же элементы в нерадиоактивном состоянии. Другими словами, изотопные эффекты в большинстве химических и биологических процессов в первом приближении отсутствуют.

Метод позволяет быстро и надёжно контролировать степень извлечения элемента при экстракции, ионном обмене, соосаждении и в других случаях. Радиоактивные индикаторы применяют также при изучении механизма химических реакций. Его широко используют в медицине, биологии, экологии и других областях. Он необходим для диагностики ряда заболевании, в частности, онкологических (от греч. ovkog — опухоль и …логия),

исследования механизма внутриклеточных биохимических процессов, изучения форм нахождения и транспортировки элементов.

Изотопное разбавление представляет собой универсальный метод количественного анализа. Его целесообразно использовать в тех случаях, когда полное разделение химически подобных веществ затруднительно или невозможно, а выделение в чистом виде некоторой доли анализируемого вещества осуществляется сравнительно просто.

Методы изотопного разбавления сочетают в себе преимущества методов внутреннего стандарта и добавок.

К анализируемому раствору, содержащему т_х граммов определяемого компонента, добавляют т₀ граммов того же компонента, содержащего радионуклид с активностью /₀, т. е. обладающий активностью So ⁼ • После смешения и установления.

^то

равновесия из системы выделяют т_л граммов компонента в чистом виде и измеряют его активность 1. Удельная активность выделенной части равна.

откуда Важно, что для метода изотопного разбавления нет необходимости отделять изучаемый компонент количественно, однако массу выделенной части определяют, используя любой из методов количественного анализа, например гравиметрию. Предел обнаружения ограничен необходимостью определения массы выделенной доли вещества.

Введение

субстехиометрического выделения позволяет избежать процедуры измерения массы и снизить предел обнаружения до КГ¹¹ — 10 ⁸ г.