Радиоактивный анализ

Содержание

   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

ВВЕДЕНИЕ

     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 1898г.) 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 1896г., 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) α-Распад. Распад ядра с выделением α-частиц, которые являются ядрами He2+. Например,                                                                                                                                                  

226 88Ra → 222 86Rn + 4 2He ;                                        238 92U → 234 90Th + 2 4α (He)

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

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

90 88Sn → 90 89Y + β;                                              32 15P → 32 16S + β  

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

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

22 11Na → 22 10Ne + β

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

64 31Cu→64 30Ni+n                                         40 19K + e=  48 18Ar + 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 α-распад ограничивают получение новых трансурановых элементов.

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

     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 β-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 λ – постоянная распада.

                                                      -lnN = λt + const,

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

                                                         N = N0 e-λt       (1)

или                            

                                                         A = A0e-λt           (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 T1/2, который так же, как и λ, 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 α-частицы, получившиеся при распаде какого-либо α-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,γ) 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 γ-спектроскопии, основанный на измерении спектра γ-излучения образца. Энергия γ-излучения является качественной, а скорость счёта – количественной характеристикой изотопа. Измерения производят с помощью многоканальных γ-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.