Радиоактивный анализ

Введение

… 2

1. Радиоактивность… 3

Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения… 3

Закон радиоактивного распада… 4

2. Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности .6

Использование естественной радиоактивности в анализе… 6

Активационный анализ… 6

Метод изотропного разбавления…7

Радиометрическое титрование… 7

3. Практическое использование радионуклидов… 9

4.

Список использованных источников

…10

Радиоактивный анализ открыл в конце XIX столетия (в 1895 г.) немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген невидимые лучи способные беспрепятственно проходить через твёрдые тела и вызывать почернение фотоплёнки. Рентген назвал их X-лучами (теперь они называются рентгеновскими).

Самопроизвольное испускание атомами излучения получило название радиоактивности. Его открыл французский физик Антуан Анри Беккерель.

Новым явлением заинтересовались работавшие во Франции Пьер Кюри (1859−1906) и его супруга Мария Склодовская-Кюри (1867−1934), которая и ввела термин «радиоактивность». Исследователи установили, что сильной радиоактивностью обладают присутствующие в урановой руде в очень малых концентрациях два новых химических элемента — полоний Ро (он открыт ими в июле 1898 г.) и радий Ra (открыт в декабре того же года).

Достижения Беккереля и супругов Кюри были отмечены присуждением им Нобелевских премий.

Радиоактивный анализ — это физический метод анализа, который возник и развился после открытия атомной энергии и создания атомных реакторов.

Он основан на измерении радиоактивного излучения элементов. Анализ по радиоактивности был известен и ранее. Так, измеряя естественную радиоактивность урановых руд, определяли содержание в них урана. Аналогичный метод известен для определения калия по радиоактивному изотопу этого элемента. Активационный анализ отличается от этих методов тем, что в нём измеряют интенсивность излучения радиоизотопов элементов, образовавшихся вследствие бомбардировки анализируемой пробы потоком элементарных частиц. При такой бомбардировке происходят ядерные реакции и образуются радиоактивные изотопы элементов, входящих в состав анализируемой пробы.

1. Радиоактивность

1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

Открытие радиоактивности относится к 1896 г., когда А. Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает излучение, названное им радиоактивным (от. radio — излучаю и activas — действенный).

Радиоактивное излучение возникает при самопроизвольном распаде атомного ядра. Известно несколько типов радиоактивного распада и радиоактивного излучения.

1) ?-Распад. Распад ядра с выделением ?-частиц, которые являются ядрами He²⁺. Например,

Ra > Rn + He ;

U > Th +? (He)

В соответствии с законом радиоактивного смещения, при ?-распаде получается атом, порядковый номер которого на две единицы, а атомная масса на четыре единицы меньше, чем у исходного атома.

2) ?-Распад. Различают несколько видов ?-распада: электронном ?-распаде, например,

Sn > Y + ?;

P > S + ?

Нейтрон внутри ядра превращается в протон. При испускании отрицательно заряженной ?-частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется.

При позитронном ?-распаде из атомного ядра выделяется позитрон (?-частица), а потом внутри ядра превращается в нейтрон. Например:

Na > Ne + ?

Продолжительность жизни позитрона невелика, так как при столкновении его с электроном происходит аннигиляция, сопровождающаяся испусканием ?-квантов.

3) При К-захвате ядро атома захватывает электрон из близлежащей электронной оболочки (из К-оболочки) и один из протонов ядра превращается в нейтрон. Например,

Cu>Ni+n

K + e= Ar + hv

На свободное место в К-оболочке переходит один из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием жёсткого рентгеновского излучения.

Спонтанное деление. Оно характерно для элементов периодической системы Д. И. Менделеева с Z>90. При спонтанном делении тяжёлые атомы делятся на осколки, которыми обычно являются элементы середины таблицы Л. И. Менделеева. Спонтанное деление и ?-распад ограничивают получение новых трансурановых элементов.

Поток? и ?-частиц называют соответственно? и ?-излучением. Кроме того, известно ?-излучение. Это электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны. В принципе, ?-излучение близко к жёсткому рентгеновскому и отличается от него своим внутриядерным происхождением. Рентгеновское излучение при переходах в электронной оболочке атома, а ?-излучение испускает возбуждённые атомы, получившиеся в результате радиоактивного распада (? и ?).

В результате радиоактивного распада получаются элементы, которые по заряду ядер (порядковому номеру) должны быть помещены в уже занятые клетки периодической системы элементами с таким же порядковым номером, но другой атомной массой. Это так называемые изотопы. По химическим свойствам их принято считать неразличимыми, поэтому смесь изотопов обычно рассматривается как один элемент. Неизменность изотопного состава в подавляющем большинстве химических реакций иногда называют законом постоянства изотопного состава. Например, калий в природных соединениях представляет собой смесь изотопов, на 93,259% из ³⁹ К, на 6,729% из ⁴¹ К и на 0,0119% из ⁴⁰ К (К-захват и ?-распад). Кальций насчитывает шесть стабильных изотопов с массовыми числами 40, 42,43,44,46 и 48. В химико-аналитических и очень многих других реакциях это соотношение сохраняется практически неизменным, поэтому для разделения изотопов химической реакции обычно не применяются. Чаще всего для этой цели используются различные физические процессы — диффузия, дистилляция или электролиз.

Единицей активности изотопа является беккерель (Бк), равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1с происходит один акт распада.

1.2 Закон радиоактивного распада

Скорость радиоактивного распада — пропорциональна числу имеющихся ядер N:

где? — постоянная распада.

— lnN = ?t + const,

Если t = 0, то N = N₀ и, следовательно, const = -lg N₀. Окончательно

N = N₀ e^-?t (1)

или

A = A₀e^-?t (2)

где, А — активность в момент времени t; А₀ — активность при t = 0.

Уравнения (1) и (2) характеризуют закон радиоактивного распада. В кинетике они известны как уравнения реакции первого порядка. В качестве характеристики скорости радиоактивного распада обычно указывают период полураспада T_½, который так же, как и ?, является фундаментальной характеристикой процесса, не зависящей от количества вещества.

Периодом полураспада называют промежуток времени, в течение которого данное количество радиоактивного вещества уменьшается наполовину.

Период полураспада различных изотопов существенно различен. Он находится примерно от 10¹⁰ лет до ничтожных долей секунды. Конечно, вещества, имеющие период полураспада 10 — 15 мин. и меньше, использовать в лаборатории трудно. Изотопы с очень большим периодом полураспада также нежелательны в лаборатории, так как при случайном загрязнении этими веществами окружающих предметов потребуется специальная работа по дезактивации помещения и приборов.

2. Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности

2.1. Использование естественной радиоактивности в анализе

Элементы, имеющие естественную радиоактивность, могут быть определены по этому свойству количественно. Это U, Th, Ra, Ac и др., всего более 20 элементов. Например, калий можно определить по его радиоактивности в растворе при концентрации 0,05 М. Определение различных элементов по их радиоактивности обычно проводят с помощью градуировочного графика, показывающего зависимость активности от содержания (%) определяемого элемента или методом добавок.

Большое значение имеют радиометрические методы в поисковой работе геологов, например при разведке месторождений урана.

2.2. Активационный анализ

При облучении нейтронами, протонами и другими частицами высокой энергии многие нерадиоактивные элементы становятся радиоактивными. Активационный анализ основан на измерении этой радиоактивности. Хотя в принципе для облучения могут быть использованы любые частицы, наибольшее практическое значение имеет процесс облучения нейтронами. Применение для этой цели заряженных частиц связано с преодолением более значительных технических трудностей, чем в случае нейтронов. Основными источниками нейтронов для проведения активационного анализа являются атомный реактор и так называемые портативные источники (радиевобериллиевый и др.). В последнем случае ?-частицы, получившиеся при распаде какого-либо ?-активного элемента (Ra, Rn, и т. д.), взаимодействуют с ядрами бериллия, выделяя нейтроны:

⁹Be + ⁴He >¹²C + n

Нейтроны вступают в ядерную реакцию с компонентами анализируемой пробы,

например ⁵⁵Mn + n = ⁵⁶Mn или Mn (n,?) ⁵⁶Mn

Радиоактивный ⁵⁶Mn распадается с периодом полураспада 2,6 ч:

⁵⁵Mn > ⁵⁶Fe + e^-

Для получения информации о составе образца некоторое время измеряют его радиоактивность и анализируют полученную кривую. При проведении такого анализа необходимо располагать надёжными данными о периодах полураспада различных изотопов, с тем чтобы провести расшифровку суммарной кривой.

Другим вариантом активационного анализа является метод ?-спектроскопии, основанный на измерении спектра ?-излучения образца. Энергия ?-излучения является качественной, а скорость счёта — количественной характеристикой изотопа. Измерения производят с помощью многоканальных ?-спектрометров со сцинтилляционными или полупроводниковыми счётчиками. Это значительно более быстрый и специфичный, хотя и несколько менее чувствительный метод анализа, чем радиохимический.

Важным достоинством активационного анализа является его низкий предел обнаружения. С его помощью может быть обнаружено при благоприятных условиях до 10^-13 — 10^-15 г вещества. В некоторых специальных случаях удавалось достигнуть ещё более низких пределов обнаружения. Например, с его помощью контролируют чистоту кремния и германия в промышленности полупроводников, обнаруживая содержание примесей до 10^-8 — 10^-9 %. Такие содержания никаким другим методом, кроме активационного анализа определить невозможно. При получении тяжёлых элементов периодической системы, таких, как менделевий и курчатовий, исследователям удавалось считать почти каждый атом полученного элемента.

Основным недостатком активационного анализа является громоздкость источника нейтронов, а также нередко длительность самого процесса получения результатов.

2.3 Метод изотропного разбавления

Метод изотопного разбавления целесообразно применять для количественного определения близких по свойствам компонентов трудно разделяемых смесей В этом методе необходимо выделять не всё определяемое вещество, а лишь часть его в возможно более чистом состоянии. Метод изотопного разбавления открывает новые возможности в анализе сложных смесей и элементов, близких по своим химико-аналитическим свойствам. Например, при анализе смесей цирконий — гафний или ниобий — тантал можно получить чистый осадок одного из компонентов, но осаждение не будет полным. Если добиться полного осаждения, то полученный осадок будет загрязнен элементом-аналогом. В методе изотопного разбавления проводят неполное осаждение и, используя измерения активности, находят содержание анализируемого элемента с достаточной точностью. Аналогичный приём используется также при анализе различных смесей органических веществ.

2.4 Радиометрическое титрование

При радиометрическом титровании индикатором являются радиоактивные изотопы элементов. Например, при титровании фосфата магнием в анализируемый раствор вводят небольшое количество фосфата, содержащего радиоактивный P*.

Реакции радиометрического титрования должны удовлетворять требованиям, обычно предъявляемым к реакциям титриметрического анализа (скорость и полнота протекания реакции, постоянство состава продукта реакции и т. д.). Очевидным условием применимости реакции в данном методе является также переход продукта реакции из анализируемого раствора в другую фазу, с тем, чтобы устранить помехи при определении активности раствора. Этой второй фазой часто является образующийся осадок. Известны методики, где продукт реакции экстрагируется органическим растворителем. Например, при титровании многих катионов дитизоном в качестве экстрагента применяют хлороформ или тетрахлорид углерода. Применение экстрагента позволяет более точно установить точку эквивалентности, так как в этом случае её определения можно измерять активность обеих фаз.

3. Практическое использование радионуклидов

В наши дни радионуклиды известны у большинства химических элементов. Они имеют много самых разных применений, особенно в химии и биохимии. Дело в том, что химическое поведение радионуклидов какого-либо элемента практически такое же, как и у его стабильных нуклидов. Но ядра радионуклидов в момент распада «посылают сигнал» о своём присутствии. Учёные разработали аппаратуру, позволяющую надёжно регистрировать сигналы от распада буквально единичных атомов. Благодаря этому становится возможным использовать радионуклиды в качестве атомов-меток, так называемых радиоактивных индикаторов.

Например, с помощью фосфора-32 можно установить, как кукуруза усваивает из почвы фосфорное удобрение. В удобрение добавляют очень малое количество радионуклида. Далее, анализируя радиоактивность различных частей растения, можно определить, быстро ли фосфат усваивает корни, с какой скоростью он поступает в листья, стебли или початки и как усвоение удобрения зависит от его химической формы (в частности, от того, в виде какой именно соли — аммония, калия или кальция — взят фосфат), от способа введения в почву и других факторов. Полученная информация позволила существенно повысить эффективность применения минеральных удобрений.

Аналогичным образом на подопытных животных можно проследить действие лекарств, содержащих радиоактивные индикаторы. Использование радионуклидов позволяет наблюдать и за поведением различных микропримесей в технологических процессах.

Так как для установления природы радионуклидов достаточно буквально единичных атомов, по результатам исследования пряди волос Наполеона, сохранившейся до наших дней, удавалось выяснить, что в конце жизни его организм получал избыток мышьяка. Возможно, именно это и стало причинной болезни и смерти.

А вот чисто химическая проблема, которую помог решить радиоуглерод. При окислении пропионовой кислоты СН₃СН₂СООН в кислой среде образуются углекислый газ и шавелевая кислота НООС-СООН. Интересно было выяснить, какая именно из двух связей С-С в пропионовой кислоте разрушается при окислении. Для этого синтезировали пропионовую кислоту, содержащую метку ¹⁴С в карбоксильной группе. Затем провели окисление и определили активность выделившегося углекислого газа и активность шавеливой кислоты. Измерения показали, что эти значения относятся как 3:7. Следовательно, впропионовой кислоты рвутся обе связи, но с разной вероятностью.

И число подобных примеров очень велико. Однако только использованию меток углерода-14 и трития в органической химии посвящены многотомные издания.

Список использованных источников

:

1. Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа. Под ред. Е. Н. Дорохова, Г. В. Прохорова, — М.: Высш. шк., 1991. — 256с.

2. Аналитическая химия. Книга 2. Физико-химические методы анализа. Под ред. В. П. Васильева, — М.: Дрофа, 2004. — 384с.

3. Патяковский В. М. Гигиенические основы питания и экспертизы продовольственных товаров. — Новосибирск: Издательство Новосибирского Университета, 1999. -431с.

4. Курс аналитической химии: Учеб. для с.-х. вузов. — 6-е изд., испр. и доп. — М .: Высш. шк. 1994. — 495с.