Методы анализа, основанные на радиоактивности

Курсовая работа

на тему: «Методы анализа, основанные на радиоактивности»
Содержание

Введение

. Теоретические сведения о методах анализа основанных на радиоактивности
.1 Радиоактивность и закон радиоактивного распада
.2 Виды радиоактивного распада
.3 Регистрация излучений и оптимальное время регистрации
.4 Понятия и единицы измерения
.5 Классификация источников радиоактивного излучения и радиоактивных изотопов
. Методы регистрации радиоактивного излучения
.1 Ионизационные методы
.2 Сцинтилляционный метод
3. Прямое определение ионов химических элементов в растворе с помощью радиоактивных реагентов
. Метод радиометрического титрования
5. Метод изотопного разбавления
6. Метод активационного анализа
7. Авторадиография
. Методы определения содержания химических элементов по излучению их естественных радиоактивных изотопов
Заключение
Литература
Введение

Методы анализа, основанные на радиоактивности, возникли в эпоху развития ядерной физики, радиохимии, атомной техники и с успехом применяются и в настоящее время при проведении разнообразных анализов. Эти методы весьма многочисленны и разнообразны. Можно выделить четыре основные группы: радиоактивный анализ; методы изотопного разбавления и другие радиоиндикаторные методы; методы, основанные на поглощении и рассеянии излучений; чисто радиометрические методы. Наибольшее распространение получил радиоактивационный метод. Этот метод появился после открытия искусственной радиоактивности и основан на образовании радиоактивный изотопов определяемого элемента при облучении пробы ядерными частицами и регистрации, полученной при активации искусственной радиоактивности.

Каждый радиометрический метод имеет свои специфические особенности и аппаратуру. Общим для всех методов является использование радиоактивных изотопов, которое требует знания их основных свойств и техники безопасности применения, а также необходимость измерения радиоактивности и, следовательно, умения применять соответствующую аппаратуру.
Радиоактивные изотопы используются также для установления полноты и чистоты разделения многокомпонентных смесей. Контроль разделения при электрофорезе, электролизе, хроматографии, экстракции, разгонке и т. п. легко осуществляется с помощью радиоактивных изотопов, входящих в состав компонентов смеси. При этом можно установить загрязнение одной фракции разделенной смеси другим компонентом и степень разделения вещества, а, следовательно, и проверить методику обычного химического анализа.
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.
1. Теоретические сведения о методах анализа основанных на радиоактивности

.1 Радиоактивность и закон радиоактивного распада

Ядра атомов состоят из нуклонов - протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно атомному номеру Z данного элемента в периодической системе Менделеева. Общее число протонов и нейтронов в ядре равно массовому числу A, соответственно число нейтронов N равно А-Z. Совокупность атомов, ядра которых имеют одинаковые A и Z, называют - изотопом.

Изотопы, ядра которых претерпевают самопроизвольные превращения, называют радиоактивными. Обычно эти превращения сопровождаются радиоактивным излучением. Радиоактивные превращения обладают двумя особенностями: для всех типов радиоактивных превращений справедлив один кинетический закон; количество типов радиоактивных превращений ограничено. Различают следующие типы ядерных (радиоактивных) превращений: α-распад, β-превращения, изомерный переход, нейтронный распад, протонный распад, спонтанное деление. γ- Излучение сопровождает многие из перечисленных типов излучения, а при изомерном переходе является единственным видом излучения.
Количественную закономерность радиоактивного распада можно получить по аналогии с необратимой мономолекулярной химической реакцией. Для большого количества ядер число актов распада в единицу времени (скорость распада) пропорционально исходному количеству ядер N:


(1)

Выражение (1) представляет собой дифференциальную форму закона радиоактивного распада, где Ν - число радиоактивных атомов в момент времени t; λ - константа, называемая постоянная распада или радиоактивной постоянной, с ^-1.

Интегральная форма закона радиоактивного распада получается интегрированием уравнения (1) в пределах от t=0 до t:


(2)

где N₀ - число радиоактивных ядер в момент времени t=0; N_t - количество ядер в момент времени t.

Закон радиоактивного распада носит статистический характер: чем больше распадающихся ядер, тем точнее он выполняется.
Скорость радиоактивного распада - dN/dt называют абсолютной активностью а образца:


(3)

Абсолютная активность выражается числом актов распада в секунду. Единицей радиоактивности является беккерель (Бк), соответствующий одному распаду в секунду. Гораздо чаще используют кратные единицы: килобеккерель, мегабеккерель, гигабеккерель. На практике часто используют внесистемную единицу радиоактивности - кюри. Кюри - это абсолютная активность такого препарата, в котором происходит 3,7^.10¹⁰ распадов в секунду. Используют также тысячную долю кюри - милликюри (мкюри) и миллионную долю кюри - микрокюри (мккюри).

Нетрудно убедиться в том, что абсолютная активность так же подчиняется закону радиоактивного распада. Умножив обе части равенства (2) на λ и принимая во внимание (3), получаем:

Наряду с λ устойчивость радиоактивного изотопа можно охарактеризовать также периодом полураспада.

Т_1/2 - это промежуток времени, в течение которого происходит распад половины имеющихся в наличии радиоактивных ядер элемента. Абсолютная активность за время Т_1/2 уменьшается вдвое:

.2 Виды радиоактивного распада

Самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие (радиоактивный распад) происходит путем испускания α -, β⁺ -, β^- - частиц, γ-лучей или захватом ядром электрона K-, а иногда L- и M -оболочек атома.

γ -лучи являются результатом перехода ядра атома данного элемента с одного возбужденного уровня энергии на другой или в невозбужденное состояние.
Если возбужденное ядро имеет небольшую энергию, то его переход в невозбужденное состояние может происходить излучением фотона или электрона конверсии. Электрон конверсии срывается с K -оболочки атома. Вследствие этого γ - излучение низкой энергии сопровождается испусканием электронов конверсии. Переход электронов с высших на освободившуюся внутреннюю оболочку атома вызывает характеристическое рентгеновское излучение элемента, испускающего γ - лучи.
При α -распаде ядро атома изотопа материнского элемента переходит в ядро атома изотопа дочернего элемента, стоящего в периодической системе на две клетки влево от материнского элемента. Если переход совершается на возбужденный уровень энергии ядра изотопа дочернего элемента, то за излучением α -частицы следует испускание одного или нескольких фотонов с энергией, в сумме равной разности уровней энергии возбужденного и невозбужденного ядер. α -Частицы, испускаемые при распаде ядер материнского изотопа, вследствие перехода на дискретные уровни энергии ядра дочернего элемента имеют дискретный (линейчатый) спектр по энергии.
β -распад ядра атома изотопа материнского элемента ведет к образованию ядра атома изотопа дочернего элемента, стоящего в периодической системе на одну клетку вправо (β^-) или влево (β⁺) от материнского элемента. Он также часто сопровождается образованием ядра атома дочернего изотопа в возбужденном состоянии и, следовательно, γ -излучением.
Спектр энергий β -частиц данного радиоактивного изотопа непрерывный и изменяется от нулевой до некоторой максимальной энергии, соответствующей разности энергий ядер атомов материнского и дочернего изотопов в одном из возможных его энергетических состояний. Отсутствие постоянства энергии β -частиц связано с механизмом их испускания. Ядро состоит из нейтронов и протонов, появление β -частиц (электронов или позитронов) связано с переходом в ядре нейтрона (n) в протон (p) или протона в нейтрон:




где v - нейтрино (электрически нейтральная частица, относящаяся к лептонам. Название придумано Э. Ферми в 1932 г. и означает в переводе с итальянского «нейтрончик»).
Энергия радиоактивного распада распределяется статистически между β -частицей и нейтрино, и только при нулевой энергии нейтрино β -частица имеет максимальную энергию.
Электронный захват ведет к переходу ядра атома изотопа материнского элемента в ядро атома изотопа дочернего элемента в одном из его энергетических состояний, стоящего в периодической системе на одну клетку влево от материнского элемента. Электронный захват сопровождается характеристическим рентгеновским излучением дочернего элемента, а в ряде случаев - γ -излучением.
При распаде одного ядра атома данного изотопа может испускаться только одна α - или β - -частица и несколько γ - квантов, несколько электронов конверсии и квантов рентгеновского излучения. Это необходимо учитывать при определении количества распавшихся ядер по зарегистрированному числу γ-квантов [1].

.3 Регистрация излучений и оптимальное время регистрации

Наиболее широко используют следующие методы регистрации излучения:

) ионизационные, основанные на ионизирующем действии излучения;
) сцинтиляционные, основанные на преобразовании энергии радиоактивного излучения в энергию фотонов светового излучения;
) фотографические (авторадиографические), основанные на образовании скрытого фотографического изображения.
Независимо от используемого метода регистрации в детектор счетной установки попадает, как правило, не все испускаемое препаратом излучение. Доля незарегистрированного излучения зависит от многих факторов: относительного расположения препарата и детектора, поглощения излучения в самом препарате и на пути между препаратом и детектором, чувствительности детектора к излучению и т.д. Регистрируемая активность связана с абсолютной активностью следующим соотношением:


(4)

где I и α - регистрируемая и абсолютная активности соответственно; φ- коэффициент регистрации, зависящий от перечисленных выше факторов.

Коэффициент регистрации трудно рассчитать с большой точностью, поэтому его обычно определяют экспериментально.
Для определения радиоактивности препарата необходимо измерить скорость счета фона I_ф и препарата с фоном I_c, а затем по разности определить скорость счета препарата. Таким образом, общее время измерения: t=t_ф+t_с.
Возникает задача выбора оптимального соотношения между временами счета фона и препарата с фоном, которое обеспечивало бы минимальную погрешность при измерениях.
В предположении, что разброс результатов обусловлен только статистическим характером распада и колебаний фона, можно использовать соответствующие формулы, приведенные в рекомендованной литературе. В общем случае удобно использование таблиц, где приводится суммарное число импульсов N, которое должно быть зарегистрировано при измерении препарата с фоном и фона в зависимости от заданной точности получаемого результата и соотношения скоростей счета препарата с фоном и фона.
В таблице 1 приведены величины I_c и I_ф для различных значений I_c/I_ф и относительных погрешностей 3, 5 и 10% при 95%-ной доверительной вероятности. Рассмотрим использование таблицы на конкретном примере.
В результате предварительного определения скорости счета препарата с фоном и фона были получены следующие результаты: