Количественный анализ его методы их описание. Современные инструментальные методы анализа

Пламенная фотометрия — один из видов атомно-эмиссионной спектроскопии. Применяется для определения щелочных, щёлочноземельных и некоторых других элементов по атомным спектрам или молекулярным полосам. Источником возбуждения служит пламя водорода, ацетилена, светильного газа. Метод обладает высокой чувствительностью, быстротой, точностью, позволяет определять элементы в солях, смесях, растворах, минералах, биологических объектах.


Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) — один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, то есть его элементного анализа. С помощью него могут быть найдены различные элементы от бериллия (Be) до урана (U). Метод РФА основан на сборе и последующем анализе спектра, возникающего при облучении исследуемого материала рентгеновским излучением. При взаимодействии с высокоэнергетичными фотонами атомы вещества переходят в возбуждённое состояние, что проявляется в виде перехода электронов с нижних орбиталей на более высокие энергетические уровни вплоть до ионизации атома. В возбуждённом состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в спокойное положение (основное состояние). При этом электроны с внешних оболочек заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии либо испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек (оже-электрон)^{[уточнить]}. При этом каждый атом испускает фотон с энергией строго определённого значения, например железо при облучении рентгеновскими лучами испускает фотоны Кα = 6,4 кэВ. Далее соответственно по энергии и количеству квантов судят о строении вещества.
В качестве источника излучения могут использоваться как рентгеновские трубки, так и изотопы каких-либо элементов. Поскольку каждая страна имеет свои требования к ввозу и вывозу излучающих изотопов, в производстве рентгенофлуоресцентной техники в последнее время стараются использовать, как правило, рентгеновскую трубку. Трубки могут быть как с родиевым, так и с медным, молибденовым, серебряным или другим анодом. Анод трубки, в некоторых случаях, выбирается в зависимости от типа задачи (элементов, требующих анализа), для решения которой будет использоваться данный прибор. Для разных групп элементов используются различные значения силы тока и напряжения на трубке. Для исследования лёгких элементов вполне достаточно установить напряжение 10 кВ, для средних 20-30 кВ, для тяжелых — 40-50 кВ. Кроме того, при исследовании лёгких элементов большое влияние на спектр оказывает атмосфера, поэтому камеру с образцом либо вакуумируют либо заполняют гелием. После возбуждения спектр регистрируется на специальном детекторе. Чем лучше спектральное разрешение детектора, тем точнее он сможет отделять друг от друга фотоны от разных элементов, что в свою очередь скажется и на точности самого прибора. В настоящее время^{[когда?]} наилучшей возможной разрешающей способностью детектора является 123 эВ.
После попадания на детектор фотон преобразовывается в импульс напряжения, который в свою очередь подсчитывается счётной электроникой и наконец передается на компьютер. Ниже приведён пример спектра, полученный при анализе корундовой ступки (содержание Al₂O₃ более 98 %, концентрации Ca, Ti порядка 0,05 %). По пикам полученного спектра можно качественно определить, какие элементы присутствуют в образце. Для получения точного количественного содержания необходимо обработать полученный спектр с помощью специальной программы калибровки (количественной градуировки прибора). Калибровочная программа должна быть предварительно создана с использованием стандартных образцов, чей элементный состав точно известен. Упрощённо, при количественном анализе спектр неизвестного вещества сравнивается со спектрами, полученными при облучении стандартных образцов, таким образом получается информация о количественном составе вещества.
Рентгенофлуоресцентный метод широко используется в промышленности, научных лабораториях. Благодаря простоте, возможности экспресс-анализа, точности, отсутствию сложной пробоподготовки, сферы его применения продолжают расширяться.

2.2. 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 ijσidt ядер радиоактивного изотопа B. Здесь σi − парциальное сечение данной реакции. Количество ядер изотопа B определяется соотношением i = mANA/M, (1 где mA − масса изотопа A в образце, M − его молярная масса, NA − 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 . ) 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 ) называется активацией насыщения. 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 ( где tобл − время облучения, tохл − 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: Радиоизотопные (ампульные) источники. Ядерные реакторы. 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 (10^14-10^15 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.