Радіоактивність і аналіз речовин

Реферат на тему:

Радіоактивність і аналіз речовин План.

1. Радіохімічний аналіз.

1.1. Аналіз природних радіоактивних речовин.

1.2. Аналіз штучних радіоактивних речовин.

2. Радіоіндикаторні методи аналізу.

2.1. Метод мічених атомів.

3. Активаційний аналіз.

4. Методи аналізу, що ґрунтуються на взаємодії випромінювання з речовинами.

4.1. Метод аналізу, що ґрунтується на пружному розсіюванні заряджених частинок.

4.2. Метод аналізу, що ґрунтується на поглинанні й розсіюванні р-частинок.

4.3. Метод аналізу, що ґрунтується на поглинанні й розсіюванні у-випромінювання.

Радіохімічний аналіз

Відкриття радіоактивності дало поштовх до появи й розвитку нових напрямків досліджень. Саме ж явище знайшло застосування як у промисловості, так і в науці. Зокрема, в аналітичній хімії (науці, що займається визначенням якісного й кількісного складу речовини) явище радіоактивності застосовується для аналізу складу і кількості речовин. Виявилося, що характер випромінювання є настільки індивідуальним для кожного атома, що його можна використовувати для ідентифікації елементів. Розроблено велику кількість методів, які дозволяють провести аналіз будь-якого елемента і багатьох сполук. Існують методи, які дозволяють проводити визначення не тільки в лабораторії, але й у польових умовах, наприклад активаційний аналіз, що застосовується для розвідування родовищ корисних копалин.

В основі радіохімічного аналізу лежить використання ядерних властивостей радіонуклідів. За його допомогою можна аналізувати радіонукліди, що зустрічаються в природі (аналіз природних радіоактивних речовин), і досліджувати природні матеріали (грунт, повітря, руду і т. ін.) на наявність у них радіоактивних ізотопів. Крім того, метод радіохімічного аналізу дозволяє вивчати системи штучних радіонуклідів: виявляти та ідентифікувати радіонукліди, визначати продукти розпаду і ядерного синтезу трансуранових елементів і т. ін.

Аналіз природних радіоактивних речовин

Аналізуючи природні радіоактивні речовини, звичайно у них визначають наявність уже відомого радіонукліда і його кількість. Визначення, як правило, проводять відносним методом, тобто досліджуваний зразок порівнюється зі стандартним, у якому кількість визначуваного радіонукліда точно встановлена.

Природні радіонукліди визначають шляхом вимірювання їхньої активності. Особливо широко цей спосіб застосовується для визначення природних радіоактивних елементів, що містять радіонукліди з невеликим періодом піврозпаду, які зустрічаються в мізерно малих кількостях. Ніяким іншим способом їх визначити не можна. Для радіонуклідів із тривалим періодом піврозпаду вимірювання їхньої радіоактивності є не дуже ефективним, оскільки не дає високої точності результатів.

Накопичена на сьогоднішній день інформація про характер радіоактивності природних речовин дозволяє обрати найбільш результативні методики їх аналізу.

Такі природні матеріали як руди (за винятком уранових), гірські породи й мінерали, як правило, мають слабку радіоактивність. Вимірювання їхньої активності дозволяє визначити сліди радію або торію, що знаходяться або в стані, близькому до рівноваги з продуктами розпаду, або після досягнення такої рівноваги. Кількість радіоактивних компонентів звичайно невелика, тому часто вдаються до їх виділення і концентрування. Попередньо зразок переводять у розчин.

Природна радіоактивність повітря обумовлюється наявністю в ньому радону, торону або актинону і їхніми активними осадами, що утворюють радіоактивні аерозолі. Слід зазначити, що над поверхнею океанів концентрація радіонуклідів значно менша, ніж у повітрі над континентами, наприклад концентрація радону над континентами має порядок 10−6 Бк/см3, а над океанами — 10−8 Бк/см3. Радіоактивність ґрунтового повітря значно вища, ніж радіоактивність повітря вільної атмосфери (10−3 Бк/см3), а найбільшу радіоактивність має повітря шахт, особливо якщо там видобувають уранову руду.

Природна вода може містити до 0,5 кБк/л радію і до 30 мкг урану. В області уранових родовищ концентрації радіонуклідів значно вищі: до 0,8 кБк/л радію і до 90 мг урану.

Аналіз штучних радіоактивних речовин

Аналіз штучних радіоактивних речовин (тобто тих, котрі виникли в результаті ядерних реакцій, продуктів реакцій поділу і ядерного синтезу трансуранових елементів) набагато складніший, ніж аналіз природних радіоактивних матеріалів. Справа в тому, що, аналізуючи природні речовини, найчастіше доводиться визначати кількість заздалегідь відомого радіонукліда. На відміну від цього, зразки штучних радіоактивних речовин звичайно складаються з радіонуклідів різних видів (як відомих, так і невідомих) і їх необхідно додатково ідентифікувати Тому якісний аналіз штучних радіоактивних речовин включає два етапи:

1) виявлення випромінювання й опис його властивостей;

2) розпізнавання радіонукліда, якому належить виявлене випромінювання. Вид випромінювання радіонукліда визначається в процесі вивчення його проходження крізь повітря та інші матеріали. Енергію випромінювання визначають, вимірюючи пробіг або величину шару поглинання в речовині, крізь який проходить випромінювання. Крім того, для ідентифікації радіонукліда використовується період піврозпаду.

Якщо потрібно розпізнати невідомий радіонуклід, то насамперед встановлюють характеристики випромінювання, яке спостерігається (його вид, енергію, період піврозпаду). Метою розпізнавання є визначення заряду Z атомної маси, А радіонукліда. Встановивши ці характеристики, стає можливим з’ясувати, якому саме хімічному елементу відповідає активність, що спостерігається. Це здійснюється в такий спосіб: серед всіх елементів відбирається той, котрий хоча б в одній хімічній реакції виявляє аналогічну активність. Його називають носієм.

Радіоіндикаторні методи аналізу Радіоіндикаторні методи використовуються для того, щоб досліджувати якісний склад системи в ході реакції. В аналізовану систему (тобто ту, котра містить визначуваний елемент або сполуку) вводиться мічена сполука (радіонуклід або неізотопний радіоактивний реагент), після чого вимірюється питома активність системи і встановлюється зміна питомої активності", а також зміна ізотопного складу та інші характеристики системи.

Метод мічених атомів

В основі методу мічених атомів лежить той факт, що хімічні властивості радіоактивних і нерадіоактивних ізотопів однакові. Це означає, що в хімічних реакціях із вихідних речовин у продукти переходитимуть однакові частини обох типів ізотопів. Але це можна використовувати на практиці тільки в тому випадку, якщо радіоактивний і стабільний ізотопи знаходяться в стані ідеального однорідного розподілу в хімічній системі, причому протягом усіх досліджуваних процесів однорідність розподілу (ізотопний склад) не змінюється. Тоді можна простежити, по-перше, як змінюється концентрація досліджуваної сполуки в ході реакції, а по-друге, на яких етапах протікання реакції з нею починають відбуватися зміни. Якісне дослідження міченого елемента або його сполуки проводять, виявляючи радіоактивність, а кількісне — заміряючи величину радіоактивності.

З величезної кількості радіонуклідів, відомих на сьогодні, тільки деякі з них можна використовувати як індикатори. При цьому до уваги беруться як фізичні й хімічні властивості радіонукліда, так і економічні характеристики (доступність, вартість).

Основні показники, що беруться до уваги при виборі індикатора:

— період піврозпаду;

— вид і енергія випромінювання;

— доступність радіонукліда;

— хімічна й радіоактивна чистота;

— хімічна форма.

Період піврозпаду радіонукліда, який збираються використовувати як індикатор, не повинен бути занадто малим. Якщо тривалість експерименту перевищує період піврозпаду в 10 і більше разів, то такий радіонуклід використовувати в тривалому експерименті не можна. Непридатні для радіоіндикаторного методу й радіонукліди з тривалим періодом піврозпаду, тому що в більшості випадків вони випускають випромінювання з низькою енергією Найбільш придатними є радіонукліди з періодом піврозпаду від декількох годин до декількох місяців.

Вид випромінювання радіонукліда має не менше значення, ніж період піврозпаду. а-Випромінювання має занадто малий пробіг, а у-випромінювання — занадто велику проникаючу здатність, що робить роботу з ним небезпечною. Тому найширше застосовують радіонукліди, що випускають ипромінювання. При роботі з ними легко убезпечити людину. Крім того, існує безліч приладів, що дозволяють виміряти активність р-випромінювання. Найбільш ефективні радіонукліди, які випускають короткохвильове ипромінювання з енергією Е>0,3 МеВ. Для довгохвильового ипромінювання застосовуються спеціальні лічильники.

Радіонукліди, що використовуються як індикатори, повинні бути доступні у виготовленні. Насамперед, це радіонукліди, що одержують у ядерному реакторі. Хімічна форма й ступінь очищення речовини також впливають на те, наскільки доступним буде радіоіндикатор, у тому числі й за вартістю.

Хімічна й радіохімічна чистота радіоіндикатора повинна бути дуже високою, тобто речовина повинна мати мінімум сторонніх хімічних елементів або сполук, що випускають випромінювання. Якщо немає можливості забезпечити відсутність сторонніх радіоактивних речовин і елементів, то потрібно, щоб ці домішки були відомі та їхній вплив можна було б оцінити й врахувати. Якщо ж розпізнати радіоактивне забруднення не можна, то радіоіндикаторний метод дасть помилковий результат.

Хімічна форма радіоактивного індикатора і визначуваної речовини повинна бути однаковою, тобто індикатор і. досліджувана речовина повинні мати однаковий кількісний і якісний склад молекули (хімічну формулу). Це особливо важливо для елементів, що можуть перебувати в кількох ступенях окиснювання й утворювати кілька різних сполук з одним елементом.

Активаційний аналіз

Активаційний аналіз є методом, що найширше використовується для виявлення та ідентифікації хімічних елементів. Уперше він був застосований у 1936 p., коли Хевеші й Леві за допомогою активації нейтронами визначили сліди диспрозію (Dy) в ітрії (Y).

Сутність методу полягає в тому, що досліджуваний (нерадіоактивний) зразок піддається опроміненню, а потім, заміряючи активність отриманого радіонукліда, встановлюють його кількість, що відповідає кількості досліджуваної речовини. Опромінення проводиться потоком частинок, найчастіше — нейтронів, якими бомбардують зразок, хоча іноді активація проводиться зарядженими частинками або у-квантами. Якщо зразок бомбардується нейтронами, то метод називається нейтронно-активаційним аналізом. Інші способи активації не мають окремих назв і використовуються тільки в спеціальних випадках, коли досліджуваний елемент не активується нейтронами або активується із занадто малим виходом.

Активність, а отже, і кількість радіонукліда, що утворюється в результаті ядерної реакції при активації зразка, прямо пропорційні масі визначуваного елемента в зразку. Отже, за обмірюваною інтенсивністю випромінювання цього радіонукліда в зразку можна встановити кількість досліджуваної речовини, що піддається активізації.

Звичайно при опроміненні зразка виникає суміш радіоактивних ізотопів різних інших елементів, крім визначуваного. їх потрібно розділити таким чином, щоб радіоізотоп досліджуваної речовини не мав домішок. Для радіохімічного поділу компонентів опромінений зразок переводять у розчин.

Крім кількісного аналізу зразка, активаційний аналіз дозволяє проводити й якісні дослідження, тобто ідентифікувати радіонукліди, що утворилися. Це можна зробити, спираючись на три ядерно-фізичні характеристики: тип випромінювання, період піврозпаду й енергію випромінювання. Деякі труднощі виникають, коли потрібно провести розпізнавання складу складних сумішей. У цьому випадку суміш спочатку поділяють на компоненти, а потім ідентифікують кожен із них окремо.

Методи аналізу, що ґрунтуються на взаємодії випромінювання з речовинами Провести аналіз нерадіоактивної речовини можна без її активації. Часто використовуються реакції взаємодії ядерного і рентгенівського випромінювань із речовиною, що їх поглинає або розсіює, але активація досліджуваної речовини не відбувається. В основі методів, що базуються на цьому явищі, лежать такі принципи:

— пружне розсіювання а-частинок;

— поглинання й розсіювання астинок і вантів;

— виникнення рентгенівського характеристичного випромінювання;

— поглинання й уповільнення нейтронів та ін.

Метод аналізу, що ґрунтується на пружному розсіюванні заряджених частинок Важкі заряджені частинки (астинки) проходять крізь аналізоване середовище, взаємодіючи з атомами речовини. При цьому найбільш важливими видами взаємодії є пружне розсіювання на ядрах визначуваного елемента, іонізація (обрив електрона) і збудження атомів визначуваного елемента, а також гальмування заряджених частинок. Однак пружне розсіювання відбувається найчастіше Треба сказати, що виникає воно в результаті кулонівської взаємодії ядра і зарядженої частинки.

Розглянутий метод аналізу ґрунтується на тому, що кінетична енергія падаючої частинки не дорівнює кінетичній енергії розсіяної частинки Для ідентифікації речовини використовують відношення кінетичної енергії частинки Е після пружного зіткнення до її вихідної енергії Ео У результаті одержують спектр, розташування піків на якому є індивідуальною характеристикою речовини За величиною піків судять про кількість досліджуваної речовини (чим пік виший, тим більшою є концентрація). Отримані піки порівнюють зі стандартними піками відомих речовин.

Після ідентифікації речовини встановлюють її концентрацію, порівнюючи висоту експериментального піка з піком тієї ж речовини відомої концентрації.

Метод аналізу, що ґрунтується на поглинанні й розсіюванні астинок Проходячи крізь аналізовану речовину, астинки вступають у реакції взаємодії як на атомних ядрах, так і в електронних оболонках атомів. При цьому енергія астинок зменшується, а напрямок їхнього руху змінюється, тобто відбувається розсіювання.

Втрата енергії астинок відбувається внаслідок не пружних зіткнень із ядрами атомів і електронами. При цьому астинка завжди відхилятиметься від вихідного напрямку руху на кут, що залежить від вихідної енергії частинки, і від енергії, загубленої нею при взаємодії.

При пружному розсіюванні астинка змінює напрямок руху, але повна енергія системи не змінюється. Кут, на який відхиляється частинка, залежить від її швидкості й від масового числа елемента. Маса астинки й атомного ядра дуже розрізняються, тому частинка відхиляється сильно, особливо якщо ипромінювання має низьку енергію. Крім того, відхилення на великий кут виникає і тоді, коли астинка пролітає поблизу ядра. Але найчастіше астинки рухаються на великій відстані від ядра і відхиляються на менші кути.

Аналіз за оглинанням ґрунтується на тому, що поглинання ипромінювання залежить від відношення заряду до масового числа досліджуваного елемента $$\left(\frac{Z}{A}\right)$$. Звичайно це відношення коливається в межах від 0,4 до 0,5, але виняток складає Гідроген $$\left(\frac{Z}{A}\right)=1$$, тому його поглинаюча здатність удвічі більша, ніж в інших елементів, тобто якщо в аналізованій речовині разом із Гідрогеном знаходиться ще який-небудь один елемент, то, вимірюючи поглинання ипромінювання в аналізованому зразку, можна визначити його з високою точністю.

Інший спосіб використання аналізу за поглинанням ипромінювання ґрунтується на тому, що зі зміною хімічного складу речовини змінюється її густина. У випадку двокомпонентної системи можна, вимірюючи поглинання, визначати концентрації розчинів і склади сумішей (тобто здійснювати кількісний аналіз). Однак це можливо тільки у випадку абсолютної відсутності Домішок у досліджуваній системі.

У методі озсіювання вимірюють інтенсивність ипромінювання, розсіяного аналізованим зразком. Ця інтенсивність є індивідуальною характеристикою елемента.

Метод аналізу, що ґрунтується на поглинанні й розсіюванні у-випромінювання При взаємодії вантів, енергія яких мала, з речовинами, велику роль відіграє фотоелектричний ефект (фотоефект). Це явище полягає в тому, що практично вся енергія у-кванта передається одному з електронів атома, який через надлишок енергії відривається від атома. Електрон, що випромінюється, отримує кінетичну енергію, що дорівнює різниці енергії вихідного у-кванта і енергії електрона в атомі.

Після вивільнення електрона відбувається миттєве заповнення електронного рівня, що супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням. Енергія цього випромінювання часто відразу ж передається найслабше зв’язаному зовнішньому електронові, який вилітає з атома. Такі електрони називаються електронами Оже. Фотоелектрони втрачають свою енергію в тих самих процесах, що і ипромінювання.

Аналіз за поглинанням у-квантів ґрунтується на зміні щільності потоку уабо рентгенівського випромінювання при проходженні крізь речовину. Ступінь поглинання фотонного випромінювання є основною характеристикою речовини в цьому методі.

Методи аналізу, що ґрунтуються на розсіюванні ипромінювання, використовуються в тих випадках, коли до досліджуваного зразка немає доступу з двох боків. В основі методу лежить той факт, що інтенсивність розсіяного у-випромінювання залежить від енергії падаючого випромінювання, атомного номера визначуваного елемента, товщини зразка й схеми дослідження. При зростанні заряду визначуваного елемента в аналізованому зразку збільшується щільність потоку розсіяного ипромінювання.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ.

1. 1.Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П. П. Загальний курс фізики. Т.1. Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. -К, 1999.-532 с.

2. 2.Матвеєв О.М. Механіка і теорія відносності. -К., 1993.-288 с.

3. 3.Сивухин Д. В. Общий курс физики: В 6 т. Т.1. Механика.-М., 1989.-520 с.

4. 4.Іванків Л.І., Палюх Б. М. Механіка.- К., 1995. 227 с.

5. 5.Хайкін С.Е. Фізичні основи механіки.- К., 1966. 743 с.

6. 6.Кушнір Р. Курс фізики. Ч.1: Механіка. -Львів, 2000. 196 с.

7. 7.Савельев И. В. Курс общей физики: В 3 т. Т.1. Механика. Молекулярная физика.- М., 1987. 416 с.

8. 8.Иродов Н. Е. Основные законы механики.- М., 1985. 248 с.