ТЕМА
РАДИОАКТИВНОСТЬ И АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВ
Содержание
1. Радиохимический анализ
1.1 Анализ естественных радиоактивных веществ
1.2 Анализ искусственных радиоактивных веществ
2. Радиоиндикаторные методы анализа
3. Активационный анализ
4. Методы анализа, основанные на взаимодействии излучения с веществами
4.1 Метод анализа, основанный на упругом рассеянии заряженных частиц
4.2 Метод анализа, основанный на поглощении и рассеянии P-частиц
4.3 Метод анализа, основанный на поглощении и рассеянии γ-излучения
1. РАДИОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Открытие радиоактивности дало толчок к появлению и развитию новых направлений исследований. Само же явление нашло применение как в промышленности, так и в науке. В частности, в аналитической химии (науке, которая занимается определением качественного и количественного состава вещества) явление радиоактивности применяется для анализа состава и количества веществ. Оказалось, что характер испускаемого излучения является настолько индивидуальным для каждого атома, что его можно использовать для идентификации элементов. Разработано большое количество методов, позволяющих провести анализ любого элемента и многих соединений. Существуют методы, которые позволяют проводить определение не только в лаборатории, но и в полевых условиях, например активационный анализ, который применяется для разведывания месторождений полезных ископаемых. В основе радиохимического анализа лежит использование ядерных свойств радионуклидов. С его помощью можно проанализировать радионуклиды, встречающиеся в природе (анализ естественных радиоактивных веществ) и исследовать природные материалы (почву, воздух, руду и т. д.) на наличие в них радиоактивных изотопов. Кроме того, метод радиохимического анализа позволяет изучать системы искусственных радионуклидов: обнаруживать и идентифицировать радионуклиды, определять продукты распада и ядерного синтеза трансурановых элементов и т. д.
1.1. Анализ естественных радиоактивных веществ
Анализируя природные радиоактивные вещества, обычно в них определяют наличие уже известного радионуклида и его количество. Определение обычно проводят относительным методом, т. е. исследуемый образец сравнивается со стандартным, в котором количество определяемого радионуклида точно установлено. Естественные радионуклиды определяют путем измерения их активности. Особенно широко этот способ применяется для определения естественных радиоактивных элементов, содержащих радионуклиды с небольшим периодом полураспада, которые встречаются в ничтожно малых количествах. Никаким другим способом их определить нельзя. Для долгоживущих радионуклидов измерение их радиоактивности является не очень эффективным, поскольку не дает высокой точности результатов. Накопленная на сегодняшний день информация о характере радиоактивности природных веществ позволяет выбрать наиболее результативные методики их анализа. Такие природные материалы, как руды (за исключением урановых), горные породы и минералы, как правило, обладают слабой радиоактивностью. Измерение их активности позволяет определить следы радия или тория, которые находятся либо в состоянии, близком к равновесию с продуктами распада, либо после достижения такого равновесия. Количество радиоактивных компонентов обычно невелико, поэтому часто прибегают к их выделению и концентрированию. Предва- рительно образец переводят в раствор. Естественная радиоактивность воздуха обуславливается наличием в нем радона, торона или актинона и их активными осадками, которые образуют радиоактивные аэрозоли. Следует отметить, что над поверхностью океанов концентрация радионуклидов значительно меньше, чем в воздухе над континентами, например, концентрация радона над континентами имеет порядок 10-6 Бк/см3, а над океанами 10-8 Бк/см3. Радиоактивность почвенного воздуха значительно выше, чем радиоактивность воздуха свободной атмосферы (10-3 Бк/см3), а наиболее велика радиоактивность воздуха шахт, особенно если там добывают урановую руду.
Природная вода может содержать до 0,5 кБк/л радия идо 30 мкг урана. В области урановых месторождений концентрации радионуклидов значительно выше: до 0,8 кБк/л радия и до 90 мг урана.
1.2. Анализ искусственных радиоактивных веществ
Анализ искусственных радиоактивных веществ (т. е. тех, которые возникли в результате ядерных реакций, продуктов реакций деления и ядерного синтеза трансурановых элементов) гораздо сложнее, чем анализ естественных радиоактивных материалов. Дело в том, что, анализируя природные вещества, чаще всего приходится определять количество заранее известного радионуклида. В отличие от этого, образцы искусственных радиоактивных веществ обычно состоят из радионуклидов разных видов (как известных, так и неизвестных; и их необходимо дополнительно идентифицировать. Поэтому качественный анализ искусственных радиоактивных веществ включает два этапа:
1) обнаружение излучения и описание его свойств;
2) распознавание радионуклида, которому принадлежит обнаруженное излучение. Вид излучения радионуклида определяется в процессе изучения его прохождения через воздух и другие материалы.
Энергию излучения определяют, измеряя пробег или величину слоя поглощения в веществе, через которое проходит излучение. Кроме того, для идентификации радионуклида используется период полураспада. Если нужно распознать неизвестный радионуклид, то в первую очередь устанавливают характеристики наблюдаемого излучения (его вид, энергию, период полураспада). Целью распознавания является определение заряда Z и атомной массы А радионуклида Установив эти характеристики, возможно выяснить, какому именно химическому элементу соответствует наблюдаемая активность. Это делается следующим образом: из всех элементов отбирается тот, который хотя бы водной химической реакции проявляет аналогичную активность. Его называют носителем.
2. РАДИОИНДИКАТОРНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Радиоиндикаторные методы используются для того, чтобы исследовать качественный состав системы в ходе реакции. В анализируемую систему (т. е. ту, которая содержит определяемый элемент или соединение) вводится меченое соединение (радионуклид или неизотопный радиоактивный реагент), после чего измеряется удельная активность системы и устанавливается изменение удельной активности, а также изменение изотопного состава и др. характеристики системы.
Метод меченых атомов
В основе метода меченых атомов лежит тот факт, что химические свойства радиоактивных и нерадиоактивных изотопов одинаковы Эго означает, что в химических реакциях из исходных веществ в продукты будут переходить равные части обоих типов изотопов. Но это можно использовать на практике только в том случае, если радиоактивный и стабильный изотопы находятся в состоянии идеального однородного распределения в химической системе, причем на протяжениивсех исследуемых процессов однородность распределения (изотопный состав) не изменяется. Тогда можно проследить, во-первых, как меняется концентрация исследуемого соединения в ходе реакции, а во-вторых — на каких этапах протекания реакции с ним начинают происходить изменения. Качественное исследование меченого элемента или его соединения проводят, обнаруживая радиоактивность, а количественное замеряя величину радиоактивности.
Из огромного множества радионуклидов, известных на сегодняшний день, только некоторые из них можно использовать в качестве индикаторов. При этом во внимание принимаются как физические и химические свойства радионуклида, так и экономические характеристики (доступность, дешевизна).
Основные показатели, которые принимают во внимание при выборе индикатора:
— период полураспада;
— вид и энергия излучения;
— доступность радионуклида;
— химическая и радиоактивная чистота:
— химическая форма.
Период полураспада радионуклида, который собираются использовать в качестве индикатора, не должен быть слишком маленьким. Если продолжительность эксперимента превышает период полураспада в 10 и более раз, то такой радионуклид использовать в длительном эксперименте нельзя. Непригодны для радиоиндикаторного метода и долгоживущие радионуклиды, т. к. в большинстве случаев они испускают излучение с низкой энергией. Наиболее подходящими являются радионуклиды с периодом полураспада от нескольких часов до нескольких месяцев.
Вид излучения радионуклида имеет не меньшее значение, чем период полураспада, а-излучение имеет слишком малый пробег, а излучение — слишком большую проникающую способность, что делает работу с ним небезопасной. Поэтому наиболее широко применяют радионуклиды, испускающие Р-излучение. При работе с ними легко обеспечить 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. Для длинноволнового р-излучения применяются специальные счетчики. Радионуклиды, используемые в качестве индикаторов, должны быть доступны в приготовлении. В первую очередь это радионуклиды, которые получают в ядерном реакторе.
Химическая форма и степень очистки вещества также влияют на то, насколько доступен будет радиоиндикатэр, в том числе и по стоимости.
Химическая и радиохимическая чистоте радиоиндикатора должна быть очень высокой, т. е. вещество должно иметь минимум посторонних химических элементов или соединений, испускающих излучение. Если нет возможности обеспечить отсутствие посторонних радиоактивных веществ и элементов, то нужно, чтобы эти загрязнения были известны и их влияние можно было бы оценить и учесть. Если же распознать радиоактивное загрязнение нельзя, то радиоиндикаторный метод даст ошибочный результат.
Химическая форма радиоактивного индикатора и определяемого вещества должна быть одинакова, т. е. индикатор и исследуемое вещество должны иметь одинаковый количественный и качественный состав молекулы (химическую формулу). Это особенно важно для элементов, которые могут находиться в нескольких степенях окисления и образовывать несколько разных соединений с одним и тем же элементом.