радиометрические методы анализа по дисциплине
 Скачать 26.04 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ (МГРИ) Факультет: геологии и геофизики нефти и газа Кафедра: геофизики Реферат на тему «радиометрические методы анализа» по дисциплине «современные методы определения вещественного состава горных пород» Вариант 2 Специальность: 21.05.03 Технология геологической разведки Специализация: No1 «Геофизические методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых» Форма обучения: Очная
 Москва 2020 г.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 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:
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:
где N0 - число радиоактивных ядер в момент времени t=0; Nt - количество ядер в момент времени t. 2 Классификация источников радиоактивного излучения и радиоактивных изотопов Источники радиоактивного излучения делят на закрытые и открытые. Закрытые - должны быть герметичны. Открытые - любые негерметичные источники излучения, которые могут создавать радиоактивное загрязнение воздуха, аппаратуры, поверхностей столов, стен и т. п. При работе с закрытыми источниками необходимые меры предосторожности сводятся к предохранению от внешнего облучения. Закрытые источники излучения активностью выше 0,2 г-экв радия должны быть помещены в защитные устройства с дистанционным управлением и устанавливаться в специально оборудованных помещениях. При работе с закрытыми источниками меньшей активности следует применять экраны, соответствующие по толщине и материалу роду и энергии излучения радиоактивного источника, а также дистанционные инструменты, применение которых должно снижать дозу до предельно допустимой. Лаборатории при работе с закрытыми источниками могут быть обычными. При работе с открытыми источниками необходимо учитывать: относительную радиотоксичность изотопа, которая зависит от его периода полураспада, вида и энергии излучения; активность на рабочем месте; физическое состояние вещества; особенность работы. Для каждого радиоактивного изотопа установлена предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочих помещений. По убывающей степени радиотоксичности радиоактивные изотопы делятся на четыре группы предельно допустимых концентрации: Группа А - изотопы особо высокой радиотоксичности (ПДК не более 1'10-13 кюри/л): 90Sr, 226Ra, 239Pu и др. Группа Б - изотопы высокой радиотоксичности (ПДК от 1'10-13 кюри/л до 1'10-11 кюри/л): 22Na, 45Ca, 60Co, 89Sr, 110Ag, 131I, 137Cs, 144Ce, 210Pb, U (ест.) и др. Группа В - изотопы средней радиотоксичности (ПДК от 1'10-11 кюри/л до 1'10-9 кюри/л): 24Na, 32P, 35S, 36Cl, 42K, 56Mn, 55,59Fe, 69Zn, 76As, 82Br, 124,125Sb, 140Ba и др. Группа Г - изотопы наименьшей радиотоксичности (ПДК от 1'10-9 кюри/л) 3H, 14C и др. 3. Методы регистрации радиоактивного излучения. 1) Ионизационные методы В основе ионизационных методов лежит измерение электрической проводимости вещества, возникающей под действием ядерных излучений. Ионизационные детекторы обычно представляют собой баллоны, заполненные газовой смесью определенного состава. Внутри баллона находятся два изолированных друг от друга электрода. При попадании в рабочий объем детектора частиц, способных ионизировать газ, в электрической цепи возникает ток за счет передвижения к электродам образовавшихся ионов. При отсутствии разности потенциалов, возникающие разноименно заряженные ионы будут рекомбинировать, образуя электрически нейтральные атомы и молекулы. По мере увеличения разности потенциалов все большее количество ионов будет достигать электродов, создавая электрический ток, хотя еще значительная часть их может рекомбинировать. При напряжении наступает момент, когда все образовавшиеся ионы достигают электродов и дальнейшее увеличение разности потенциалов не приводит к увеличению тока в цепи. Ток называют током насыщения. 2) Сцинтилляционный метод В основе работы сцинтилляционного детектора лежит способность некоторых веществ преобразовывать энергию ядерных излучений в фотоны видимого и ультрафиолетового света. Механизм этого процесса достаточно прост. Ядерные частицы (либо вторичные электроны, образовавшиеся при поглощении γ-квантов) переводят молекулы сцинтиллятора в возбужденное состояние. Переход молекул сцинтиллятора в основное состояние сопровождается испусканием фотонов в УФ- или видимой области. Каждая отдельная вспышка, появившаяся в результате прохождения ядерной частицы или γ-кванта, называют сцинтилляцией. Отдельные вспышки регистрируются фотоэлектронным умножителем, преобразующим световые импульсы в электрические, которые усиливаются линейным или логарифмическим усилителем. Затем электрические импульсы проходят через дискриминатор, пропускающий импульсы определенной амплитуды и отсекающий «шумы», и попадают на регистрирующий прибор. 3) Прямое определение ионов химических элементов в растворе с помощью радиоактивных реагентов Метод основан на осаждении ионов определяемого элемента в виде нерастворимого осадка избытком осадителя (реагента) известной концентрации, меченного радиоактивным изотопом. Удельная активность осадителя (реагента) должна быть известна. Метод применим во всех случаях селективного образования определяемыми ионами нерастворимого осадка с меченым реагентом. 4) Метод радиометрического титрования Метод основан на образовании определяемым ионом с реагентом малорастворимого или легко экстрагируемого соединения, т. е. соединения, легко удаляемого из титруемого раствора. Индикатором служит изменение радиоактивности раствора по мере введения реагента. Точку эквивалентности определяют по излому на кривой титрования объем введенного реагента - радиоактивность титруемого раствора. Кривые титрования для различных случаев приведены на рис.5. Концентрация реагента (г-экв/л)должна быть известна. Возможны три варианта метода. А) Радиоактивным изотопом метят один из элементов, входящих в состав титруемого раствора. В процессе титрования измеряют изменение активности раствора над осадком или экстракта образовавшегося соединении. Б) Титрование ведут реагентом, содержащим радиоактивный изотоп. Измеряется увеличение активности титруемого раствора после точки эквивалентности, т.е. после окончания образования осадка определяемого иона с реагентом или соединения, удаляемого экстракцией. В) Титрование раствора, содержащего радиоактивный изотоп определяемых ионов, ведут реагентом, также содержащим радиоактивный изотоп. Измеряется изменение активности по мере введения реагента в раствор. Точка эквивалентности отвечает минимуму активности раствора над осадком или максимуму активности экстракта. После точки эквивалентности начинается нарастание активности титруемого раствора над осадком за счет добавляемого реагента. Этот способ целесообразно применять только наряду с графическим методом нахождения точки эквивалентности. Описанные методы титрования применимы при отсутствии мешающих элементов, т.е. ионов, образующих с реагентом в тех же условиях осадок или экстрагируемое комплексное соединение. Если условия образования осадков или экстрагируемых комплексных соединений у разных типов ионов различны, то с помощью одного радиоактивного изотопа возможно последовательное определение этих ионов. Например, для определения ионов цинка и ртути в смеси с применением радиоактивного изотопа 65Zn титрование ведут дитизоном при pH=4,7. Сначала образуется только комплексное соединение ртути, при этом хлороформный экстракт неактивен, а водный раствор имеет постоянную активность. После первой точки эквивалентности начнется образование комплекса цинка с дитизоном, активность хлороформного экстракта возрастает, а активность водного слоя падает до второй точки эквивалентности. Этот способ применим и для последовательного определения трех типов ионов в растворе. Радиоактивным изотопом метят ионы, образующие наиболее прочное и наименее прочное комплексное соединение. Радиометрическое титрование экстракционным способом обычно осуществляется в пробирках с притертой пробкой. 5)Метод изотопного разбавления Метод основан на тождественности химических реакций изотопов данного элемента. Он применим для количественного определения компонентов трудно разделяемых сложных смесей. Для его осуществления к анализируемой смеси, содержащей mx г-экв определяемого вещества, добавляют m0 г-экв того же вещества, содержащего в своем составе радиоактивный изотоп с активностью I0. Удельная активность S0 введенного радиоактивного вещества должна быть известна. После равномерного распределения радиоактивного вещества в системе любым доступным способом выделяют часть (m1, г-экв) определяемого вещества в чистом состоянии и измеряют ее активность I1 или весовую удельную активность S1. Удельная активность выделенной части соединения равна удельной активности определяемого вещества в растворе после добавления изотопного разбавителя. 6)Метод активационного анализа Особое место в аналитической химии занимает активационный анализ. Этот метод определения качественного и количественного составов вещества, основанный на образовании радионуклидов в результате протекания ядерных реакций. При активационном анализе образцы исследуемого вещества подвергаются обучению либо заряженными частицами, либо нейтронами или γ-квантами, в результате чего стабильные изотопы превращаются в радиоактивные. В зависимости от типа облучения различают нейтронный, протонный и фотоактивационный анализ. Выполнение качественного активационного анализа основано на идентификации полученных нуклидов по их периодам полураспада, по типу и энергии излучения или по возможным ядерным реакциям. При количественном активационном анализе измеряют активности полученных изотопов и, зная удельные активности, находят количество определяемых элементов. Активирование зависит от энергии бомбардирующих частиц или γ-квантов, от эффективного сечения ядерной реакции и от содержания определяемого изотопа в образце. Активность облученных образцов также зависит от периодов полураспада полученных радиоактивных изотопов, от продолжительности облучения и времени, прошедшего с момента окончания облучения. |
