Количественный анализ его методы их описание. Современные инструментальные методы анализа

Активационный анализ

Активацией называется процесс получения радиоактивного вещества в результате ядерных реакций при облучении стабильных ядер нейтронами, гамма-квантами, протонами или другими частицами.
Пусть на образец, содержащий i ядер изотопа A падает j частиц в секунду на единицу площади. В результате ядерной реакции A(a,b)B за время dt образовывается ijσ_idt ядер радиоактивного изотопа B. Здесь σ_i − парциальное сечение данной реакции. Количество ядер изотопа B определяется соотношением

i = mANA/M,

(1)

где m_A − масса изотопа A в образце, M − его молярная масса, N_A − число Авогадро. Образовавшийся изотоп B распадается по закону радиоактивного распада с постоянной распада λ. Дифференциальное уравнение, описывающее изменение количества ядер изотопа B, можно записать в виде

dN = ijσidt - λNdt.

(2)

Первый член в (2) описывает образование ядер изотопа B, второй − их распад. Проинтегрировав (2), получим

.

(3)

Через некоторое время рост числа активных ядер прекратится (dN/dt = 0). Это произойдет тогда, когда в единицу времени будет образовываться столько же радиоактивных ядер сколько и распадаться. Величина

Nнас = ijσi/λ

(4)

называется активацией насыщения.

Рис. 1. Кривая активации

Кривая активации показана на рисунке 1. Практически, насыщение достигается за время облучения, соответствующее 4 - 5 периодам полураспада. В самом начале облучения (t << 1/ ) происходит преимущественно образование изотопа B и его распадом можно пренебречь, поэтому число активных ядер растает практически линейно со временем.
После окончания облучения образовавшийся радиоактивный изотоп B будет только распадаться. Активность I = N , при постоянной плотности потока j и если пренебречь как правило ничтожным "выгоранием" (уменьшением числа ядер n), будет равна

(5)

где t_обл − время облучения, t_охл − время охлаждения, т.е. время с момента окончания облучения до момента начала измерения.
На активации основан мощный метод определения состава вещества активационный анализ. Он был впервые предложен Г. Хевеши (G. Hevesy) и Х. Леви (H. Levi) (1936).
В этом методе идентификация химических элементов, содержащихся в образце и их количественный анализ производятся путем измерения активности, энергии излучений и периода полураспада образовавшихся в результате ядерной реакции радионуклидов. Пусть в естественной смеси элемента доля изотопа A, который в результате реакции A(a,b)B превращается в радиоактивный изотоп B равна k. Идентифицировав в облученном образце по периоду полураспада и энергии излучения наличие изотопа B, по его активности можно определить массу соответствующего элемента m по формуле

m = iM/kNA,

где М − атомная масса определяемого элемента, i определяется по активности I (5) изотопа B. Подставив (5) в (6), получим

.

(7)

Наряду с абсолютным методом, основанным на соотношении (7) часто применяется относительный метод, при котором активность образца сравнивается с активностью эталона, содержащего известное количество определяемого элемента и облученного в идентичных условиях с образцом.
В активационном анализе чаще всего используются нейтроны (нейтронно-активационный анализ) и гамма-кванты (гамма-активационный анализ). В качестве источника нейтронов используются:

1. 
   Радиоизотопные (ампульные) источники.
   
2. 
   Ядерные реакторы.
   
3. 
   Нейтронные генераторы.
   

Около 70% элементов имеют свойства, позволяющие использование нейтронно-активационный анализ для их идентификации и количественного анализа.
Для гамма-активационного анализа используется тормозное излучение высокой интенсивности (10¹⁴-10¹⁵ квант/с), получаемое на электронных ускорителях. Фотоядерные реакции позволяют активировать практически все элементы периодической системы элементов с пределом обнаружения ~10^-4-10^-7 %. Существуют ситуации, когда использование гамма-активационного анализа предпочтительно. Гамма-активационный анализ в частности позволяет эффективно анализировать такие элементы, как Ca, Ni, Ti, Tl и Pb. Преимуществом гамма-активационного анализа перед нейтронно-активационным анализом является также то, что гамма-кванты могут глубже проникать в образец, следовательно анализу могут подвергаться образцы бо'льших размеров.
Активационный анализ на заряженных частицах, в связи с их малыми пробегами в веществе, используется главным образом для анализа тонких слоев и поверхностей.