LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 19
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

ся от электронной оболочки атома, предположим, что он рож-
может содержать несколько различных по энергии групп у-кван-
дается в ядре как результат происходящих там процессов.
тов. Это доказывается и линейчастым характером у-спектров.
Рассмотрим это па примере р"-распада. В силу того что число
Вообще же у-спектр - распределение всех у-квантов согласно
нуклонов в ядре не изменяется, а заряд увеличивается на еди-
их энергетическим характеристикам. Поэтому дискретность
ницу, единственно возможной ситуацией, в которой могут од-
у-спектра еще раз доказывает дискретность энергетических
новременно осуществляться эти условия, будет превращение
состояний атомных ядер.
одного из нейтронов 8-активного ядра в протон с одновре-
Наряду с у-излучением в ядре может происходить кон-
менным образованием электрона и вылетом антинейтрино
курентный процесс внутренняя конверсия. Дело в том, что
Так, распад нейтрона имеет вид:
переход ядра из возбужденного в стационарное состояние
,» я -»|р+••+•*. может произойти не только за счет испускания у-кванта, но и
Долгое время ученых ставили в тупик непрерывные спек при непосредственной передаче энергии возбуждения одному
тры испускаемых при Р-распаде электронов. В связи с этим из электронов того же атома. При этом испускается электрон
даже возникла гипотеза о том, что в процессе Р-распада на конверсии
рушается закон сохранения энергии Однако предположение, Электронам конверсии соответствуют дискретные зна-
а впоследствии и доказательство существования нейтрино чения энергии Их величина зависит от работы выхода элек-
объяснили этот факт Дело в том, что Р-активные ядра до и трона из оболочки и от энергии, которую отдает ядро при
после распада обладают вполне определенными энергиями, но переходе из возбужденного в стационарное состояние.
выбрасываются электроны, обладающие энергией в диапазо- Если вся энергия Е выделяется в виде у-кванта, то часто-
не от 0 до некоторой Еш„. Как оказалось впоследствии, непре- та излучения v определяет из соотношения:
рывность энергетического спектра обусловлена тем, что энер-
Е- hv.
гия распределяется между электронами и антинейтрино, при-
В случае испускания электронов внутренней конверсии
чем сумма энергий обеих частиц равна Е т м . В одних актах
энергии электронов будут определяться из соотношений:
распада большую энергию получает антинейтрино, в других -
электрон. Е - А» Е - A»...,
Современная теория Р-распада опирается на то, что все где Av Аь ... - работа выхода электрона из К , L-, ... -оболочек.
происходящие в ядре преобразования происходят под дей- Благодаря тому, что энергия электронов каждого уровня стро-
ствием слабого взаимодействия (единственного вида взаимо- го определена, электроны конверсии можно легко отличить от
Р-электронов, спектр которых непрерывен. Кроме того, внут-
действия, в котором могут принимать участие нейтрино и ан-
ренняя конверсия всегда сопровождается херектригтичееким
пщейтрино)
рентгеновским излучением, что/обусловлено переходом элек-
Ядра, обладающие Р-радиоактивностью, можно создавать
тронов вышележащих оболочек на места, освободившиеся в
искусственно, если присоединить к стабильному ядру или от-
результате вылета электронов.
пять от него один или несколько однотипных нуклонов. При
избытке электронов в ядре может наблюдаться искусственная При у-излучепии энергия испускаемых у-кваитов оказы
Р радиоактивность. Такие ядра получаются в результате об- вается меньше энергии возбужденного состояния ядра. Часть
лучения веществ нейтронами в ядерных реакторах. При из- энергии переходит в энергию отдачи ядра:
бытке протонов ядра проявляют искусственную Р˜-радиоак-
тивногть или испытывают ё-захват. Их получают облучени-
где Е - энергия возбужденного ядра,
ем вещества на циклотроне положительными ионами (прото-
?у - энергия у-кванта,
нами;. Впервые наведенная Р'-радиоактивность была откры
Тя - кинетическая энергия отдачи ядра.
та в 1934 г. при облучении веществ а-частицами, а'искус-
Хотя Гя очень маленькая величина (7'я =• 0,01 ЮэВ),
ственная р радиоактивность - при облучении веществ нейт
не менее Ея * Е. Поэтому у-кванты, испущенные ядром, не мотут
роками от нейтронных источников.
88 Физика

перевести ядро того же типа из основного состояния (Е — 0) в 3. ДЕЛЕНИЕ И СИНТЕЗ ЯДЕР
возбужденное. Для этого у-квант должен обладать энергией:
Как известно, энергия связи ядра является выраженной
в энергетических характеристиках разностью массы атомного
где Тя - энергия отдачи, которую у-квант должен передать
ядра и суммы масс всех составляющих его нуклонов:
поглощающему ядру.
1
AW - [Zmp + (А - Z) т„ - MJ • с .
Но существуют условия, при которых энергия отдачи
сведена к нулю (ядра в виде кристаллических решеток при Экспериментально доказано, что энерпи связи DW со-
низкой температуре). В этом случае становятся возможны ставляет только 1% энергии покоя атома, причем для разных
испускание и поглощение у-квантов без отдачи. ядер ее точные значения сильно колеблются. Доля, которую
Кроме того, имеет место резонансное поглощение у-кван- составляет энергия взаимодействия нуклоне ? от энергии по-
тов ядрами: ядро поглощает у-квант той же частоты, что и коя, зависит от числа взаимодействующих нуклонов. С рос-
частота излучаемого ядром у-кванта при переходе из возбуж- том числа нуклонов она сначала возрастает, а затем уменьша-
денного состояния в основное. Резонансное поглощение мо- ется. Особенно прочно нуклоны связаны в средних по массе
жет быть получено только при компенсации потери, энергии на ядрах, слабее — в тяжелых и очень легких ядрах.
отдачу. Такому условию удовлетворяют ядра, которые на- Основная причина различия в энергии СЕ язи разных ато-
ходятся в связанном состоянии (кристаллическая решетка) и мов заключается в том, что разные нуклоны в ядре вступают в
при низких температурах, чтобы остановить колебания ядер в разные по силе взаимодействия. Условно в: г нуклоны ядра
решетке. В этом случае импульс и энергия отдачи передаются можно разделить на две группы: внутренние и внешние (по-
не одному ядру (поглощающему или испускающему g-квант), а верхностные). Внутренние нуклоны окружены соседями со
всей кристаллической решетке в целом. Масса кристалла по всех сторон, а внешние имеют соседей толь в о с внутренней
1
отношению к массе отдельного ядра является гораздо большей стороны. Аналогично поверхностному натяжению жидкостей
величиной, поэтому, согласно закону сохранения импульса внутренние нуклоны ядра взаимодействуют с соседями силь-
нее, чем поверхностные.
У легких ядер доля внутренних нуклонов очень мала.
Т
2
' 2тнс Можно сказать, что у них все нуклоны являются внешними. С
потери энергии на отдачу становятся бесконечно малы. Мож- утяжелением ядра доля внутренних нуклонов увеличивается,
но сказать, что процессы излучения и поглощения у-излуче- а вместе с нею растет и энергия связи. Однако, начиная с неко-
ния в этом случае происходят абсолютно упруго, т. е. практи- торого числа нуклонов (А = 40 + 60), становится заметным их
чески без потерь энергии. электрическое отталкивание, что приводит к уменьшению энер-
Явление упругого испускания или поглощения у-кван- гии связи у тяжелых ядер.
тов ядрами атомов, связанными в твердом теле, которое не Различие в энергии связи разных ядер может быть ис-
сопровождается изменением внутренней энергии тела, носит пользовано для освобождения внутриядерной энергии. На-
название эффекта Мессбауэра (по имени ученого, исследо- пример, если ядро урана разделить пополам, то с уммарная масса
вавшего это явление и установившего его закономерности). полученных половинных ядер составляет 0,999 от массы ис-
ходного ядра. Избыток массы превратится в энергию. Имен-
2.4. Другие виды радиоактивности но этот принцип лег в основу практического использования
реакций деления ядер.
1. Протонная радиоактивность - испускание протона
При синтезе легких ядер, т. е. при их слиянии в более
из. ядра в основном состоянии. Обычно этот процесс имеет
тяжелые, также происходит выделение энергии. Это имеет
место у искусственно полученных ядер с большим дефицитом
место за счет того, что образуются более устойчивые ядра,
нейтронов.
взаимосвязанность нуклонов в которых гораздо больше, чем
2. Спонтанное деление — самопроизвольное расщепление
в исходных ядрах. Поэтому процесс их слияния оказывается
ядер с Z > 90 (торий, протактиний, уран и трансурановые эле-
энергетически выгодным. На сегодняшний день проблема
менты) на два ядра-осколка с примерно одинаковыми масса-
практического синтеза еще не решена до коша, хотя это на-
ми (М, : М2 « 2 : 3). В подобных процессах освобождается
правление добычи ядерной энергии является более выгод-
большое количество энергии (Q = 200 МЭВ). Ее появление
ным, чем ядерное деление (энергия синтеза, приходящаяся на
обусловлено тем, что масса исходного ядра больше суммы
единицу массы, количественно в несколько [аз превосходит
масс ядер-осколков.
удельную энергию деления). Сейчас уже хорохо освоен взрыв-
3. Испускание запаздывающих нейтронов -. каскадный
ной синтез, но осуществление управляемой термоядерной ре-
процесс, который включает в себя два этапа:
акции еще встречает определенные трудности. Так, чтобы
Р -распад, при котором образуется дочернее ядро в
выделяемая ядром энергия была больше поглощенной, необ-
сильновозбужденном состоянии;
ходимо выполнение критерия Лоусона. Согласно ему, плот-
- испускание нейтрона дочерним ядром. Т. к. нейтрон
ность р, температура Г и время удержания т дейтерий-тритис
испускается только после р"-распада, то его называют
вой плазмы должны удовлетворять условиям
запаздывающим.
рт = (2 + 3) • 10" см 3 ; с
4. Испускание запаздывающих протонов - процесс, анало-
Т - 108К
гичный предыдущему. Здесь первым этапом является |Зт-распад
с образованием сильновозбужденного дочернего ядра, после Существует два способа добиться соответствия Крите
чего дочернее ядро испускает протон. рию Лоусона:
Оба процесса, испускания запаздывающих нуклонов об- 1 медленно (т > 0,1 с) нагревать плотную (р > Ю1-1 см ')
наружены только у искусственно созданных ядер, которые плазму большого объема (сотни кубических .метров)
сильно перегружены соответствующими нуклонами до температуры Т = 108К;
Радиоактивность и анализ веществ 89

сверхбыстро (t = 10˜9 с) нагреть конденсированное В настоящее время ученые многих стран ищут возмож-
термоядерное вещество очень малого объема (V — 1 ности создания подобных условий, чтобы управлять процес-
сами, происходящими в ядре. •••'.-" .• -
3
IvfM ).




РАДИОАКТИВНОСТЬ И АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВ*
План
1. Радиохимический анализ.
1.1. Анализ естественных радиоактивных веществ.
1.2. Анализ искусственных радиоактивных веществ.
2. Радиоиндикаторные методы анализа. .
3. Активационный анализ.
4. Методы анализа, основанные на взаимодействии излучения с веществами.
4.1. Метод анализа, основанный на упругом рассеянии заряженных частиц.
4.2. Метод анализа, основанный на поглощении и рассеянии (3-частиц.
.4.!-!. Метод анализа, основанный на поглощении и рассеянии у-излучения.



дартным, в котором количество определяемого радионуклида
1. РАДИОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
точно установлено.
Естественные радионуклиды определяют путем измере-
Открытие радиоактивности дало толчок к появлению и
ния их активности. Особенно широко этот способ применяет-
развитию новых направлений исследований. Само же явление
ся для определения естественных радиоактивных элементов,
нашло применение как в промышленности, так и в науке. В
содержащих радионуклиды с небольшим периодом полурас-
частности, в аналитической химии (науке, которая занимается
пада, которые встречаются в ничтожно малых количествах.
определением качественного и количественного состава ве-
Никаким другим способом их определить нельзя. Для долго-
щества) явление радиоактивности применяется для анализа
живущих радионуклидов измерение их радиоактивности яв-
состава и количества веществ. Оказалось, что характер испус-
ляется не очень эффективным, поскольку не дает высокой
каемого излучения является настолько индивидуальным для
точности результатов.
каждого атома, что его можно использовать для идентифика-
Накопленная на сегодняшний день информация о харак-
ции элементов. Разработано большое количество методов, по-
тере радиоактивности природных веществ позволяет выбрать
зволяющих провести анализ любого элемента и многих соеди-
наиболее результативные методики их анализа.
нений. Существуют методы, которые позволяют проводить
Такие природные материалы, как руды (за исключением
определение не только в лаборатории, но и в полевых услови-
урановых), горные породы и минералы, как правило, облада-
ях, например активационный анализ, который применяется для
ют слабой радиоактивностью. Измерение их активности по-
разведывания месторождений полезных ископаемых.
зволяет определить следы радия или тория, которые находят
В основе радиохимического анализа лежит использова-
ся либо в состоянии, близком к равновесию с продуктами рас-
ние ядерных свойств радионуклидов. С его помощью можно
пада, либо после достижения такого равновесия. Количество
пнализировать радионуклиды, встречающиеся в природе (ана-
радиоактивных компонентов обычно невелико, поэтому час-
лиз естественных радиоактивных веществ) и исследовать при-
то прибегают к их выделению и концентрированию. Предва-
родные материалы (почву, воздух, руду и т. д.) на наличие в
рительно образец переводят в раствор.
них радиоактивных изотопов. Кроме того, метод радиохими-
Естественная радиоактивность воздуха обуславливает
ческого анализа позволяет изучать системы искусственных
ся наличием в нем радона, торона или актинона и их активны-
радионуклидов: обнаруживать и идентифицировать радионук-
ми осадками, которые образуют радиоактивные аэрозоли. Сле-
лиды, определять продукты распада и ядерного синтеза транс-
дует отметить, что над поверхностью океанов концентрация
урановых элементов и т. д.
радионуклидов значительно меньше, чем в воздухе над конти-
нентами, например, концентрация радона над континентами
1.1, Анализ естественных радиоактивных веществ имеет порядок 10˜6 Бк/см3, а над океанами 10"8 Бк/см3. Ра-
диоактивность почвенного воздуха значительно выше, чем ра
Анализируя природные радиоактивные вещества, обыч-
диоактивность воздуха свободной атмосферы (10"3 Бк/см3), а
но в Н Х определяют наличие уже известного радионуклида и
И
наиболее велика радиоактивность воздуха шахт, особенно если
!-гп количество. Определение обычно проводят относитель-
там добывают урановую руду
ным методом, т. е. исследуемый образец сравнивается со стан-


* Данный реферат раскрывает возможное ги использования физических явлений при решении проблем химии, поэтому он будет полезен при демонстрации
ЧК'ЖПрсДМСТЛЫХ СПЯЗРЙ
90 Физика

Природная вода может содержать до 0,5 кБк/л радия и всех исследуемых процессов однородность распределения
до 30 мкг урана. В области урановых месторождений концен- (изотопный состав) не изменяется. Тогда можно проследить,
трации радионуклидов значительно выше: до 0,8 кБк/л радия во-первых, как меняется концентрация исследуемого соеди-
и до 90 мг урана. нения в ходе реакции, а во-вторых — на каких этапах протека-
ния реакции с ним начинают происходить изменения. Каче-
ственное исследование меченого элемента или его соединения
1.2. Анализ искусственных радиоактивных
проводят, обнаруживая радиоактивность, а количественное —
веществ.
замеряя величину радиоактивности.
Анализ искусственных радиоактивных веществ (т. е.'тех, Из огромного множества радионуклидов, известных па
сегодняшний день, только некоторые из них можно использо-
которые возникли в результате ядерных реакций, продуктов
вать в качестве индикаторов. При этом во внимание принима-
реакций деления и ядерного синтеза трансурановых элемен-
ются как физические и химические свойства радионуклида,
тов) гораздо сложнее, чем анализ естественных радиоактив-
так и экономические характеристики (доступ тость, дешевиз-
ных материалов. Дело в том, что, анализируя природные ве-
на).
щества, чаще всего приходится определять количество зара-
Основные показатели, которые принимают во внимание
нее известного радионуклида. В отличие от этого, образцы
при выборе индикатора:
искусственных радиоактивных веществ обычно состоят из
— период полураспада;
радионуклидов разных видов (как известных, так и неизвест-
— вид и энергия излучения;
ных; и их необходимо дополнительно идентифицировать.
— доступность радионуклида;
Поэтому качественный анализ искусственных радиоактивных
— химическая и радиоактивная чистота:
веществ включает два этапа:
1) обнаружение излучения и описание его свойств; — химическая форма.
Период полураспада радионуклида, который собираются
2) распознавание радионуклида, которому принадлежит
использовать в качестве индикатора, не должен быть слишком
обнаруженное излучение.
маленьким. Если продолжительность эксперимента превыша-
Вид излучения радионуклида определяется в процессе
ет период полураспада в 10 и более раз, то такой радионуклид
изучения его прохождения через воздух и другие материалы.
использовать в длительном эксперименте не/ ьзя. Непригод-
Энергию излучения определяют, измеряя пробег или величи-
ны для радиоиндикаторного метода и долгоживущие радио-
ну слоя поглощения в веществе, через которое проходит из-
нуклиды, т. к. в большинстве случаев они испускают излуче-
лучение. Кроме того, для идентификации радионуклида ис-
ние с низкой энергией. Наиболее подходящими являются ра-
пользуется период полураспада.
дионуклиды с периодом полураспада от нескольких часов до
Если нужно распознать неизвестный радионуклид, то в
нескольких месяцев.
первую очередь устанавливают характеристики наблюдаемо-
Вид излучения радионуклида имеет не меньшее значение,
го излучения (его вид, энергию, период полураспада). Целью
чем период полураспада, а-излучение имеет слишком малый
распознавания является определение заряда Z и атомной мас-
пробег, а у-излучение — слишком большую проникающую спо-
сы А радионуклида Установив эти характеристики, возмож-
собность, что делает работу с ним небезопасной. Поэтому наи-
но выяснить, какому именно химическому элементу соответ-
более широко применяют радионуклиды, испускающие Р-из-
ствует наблюдаемая активность. Это делается следующим об-
лучение. При работе с ними легко обеспечить безопасность
разом: из всех элементов отбирается тот, который хотя бы в
человека. Кроме того, существует множество п эиборов, позво-
одной химической реакции проявляет аналогичную активность.
ляющих измерить активность р-излучения. Наиболее эффектив-
Его называют носителем.
ны радионуклиды, испускающие коротковолнокое Р-излученис-
с энергией Етх > 0,3 МЭВ. Для длинноволнового р-излучения
применяются специальные счетчики
2. РАДИОИНДИКАТОРНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Радионуклиды, используемые в качеств; индикаторов,
должны быть доступны в приготовлении. В г ервую очередь
Радиоиндикаторные методы используются для того, что-
это радионуклиды, которые получают в ядерном реакторе.
бы исследовать качественный состав системы в ходе реакции.
Химическая форма и степень очистки вещества также влияют
В анализируемую систему (т. е. ту, которая содержит опреде-
на то, насколько доступен будет радиоиндикатэр, в том числе
ляемый элемент или соединение) вводится меченое соедине-
и по стоимости.
ние (радионуклид или неизотопный радиоактивный реагент),
Химическая и радиохимическая чистоте радиоиндика-
после чего измеряется удельная активность системы и уста-
тора должна быть очень высокой, т. е. вещество должно иметь
навливается изменение удельной активности, а также измене-
минимум посторонних химических элементов или соединений,
ние изотопного состава и др. характеристики системы. __ -
испускающих излучение. Если нет возможности обеспечить
отсутствие посторонних радиоактивных веществ и элементов,
Метод меченых атомов то нужно, чтобы эти загрязнения были известны и их влияние
можно было бы оценить и учесть. Если же распознать радио-
В основе метода меченых атомов лежит тот факт, что
активное загрязнение нельзя, то радиоиндикаторный метод
химические свойства радиоактивных и нерадиоактивных изо-
даст ошибочный результат.
топов одинаковы Эго означает, что в химических реакциях
Химическая форма радиоактивного индикатора и оп-
из исходных веществ в продукты будут переходить равные
ределяемого вещества должна быть одинакова, т. е. инди-
части обоих типов изотопов. Но это можно использовать на
катор и исследуемое вещество должны иметь одинаковый
практике только в том случае, если радиоактивный и стабиль-
количественный и качественный состав молекулы (хими-
ный .изотопы находятся в состоянии идеального однородного
ческую формулу). Это особенно важно для элементов, ко-
распределения в химической системе, причем на протяжении
Радиоактивность и анализ веществ 91

4.1. Метод анализа, основанный на упругом
торые могут находиться в нескольких степенях окисления
и образовывать несколько разных соединений с одним и рассеянии заряженных частиц
тем же этементом.
Тяжелые заряженные частицы (\Не (у-частицы), ^Li)
проходят через анализируемую среду, взаимодействуя г ато
3. АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ мами вещества. При этом наиболее важными видами взаимо-
действия являются упругое рассеяние на ядрах определяемо-
Активационный анализ является методом, который наи- го элемента, ионизация (обрыв электрона,) и возбуждение ато-
более широко используется для обнаружения и идентифика- мов определяемого элемента, а также торможение заряжен
ции" химических элементов. Впервые он был применен в 1936 г, ных частиц. Однако упругое рассеяние происходит чаще псе
когда Хевеши и Леви с помощью активации нейтронами опре- го. Надо сказать, что возникает оно в результате кулоновско-
делили следы диспрозия (Dy) ь иттрии (Y). го взаимодействия ядра и заряженной частицы.
Сущность метода заключается в том, что исследуемый
Рассматриваемый метод анализа основан на том, что ки-
(нерадиоактивный) образец подвергается облучению, а затем,
нетическая энергия падающей частицы не равна кинетической
замеряя активность полученного радионуклида, устанавлива-
энергии рассеянной частицы. Для идентификации вещества
ют его количество, соответствующее количеству исследуемо-
используют отношение кинетической энергии частицы Е пос-
го вещества. Облучение проводится потоком бомбардирую-
ле упругого соударения к ее исходной энергии Ео. В результа-
щих частиц, чаще всего — нейтронов, хотя иногда активация
те получают спектр, расположение пиков на котором является
проводится заряженными частицами или у-квантами. Если об-
индивидуальной характеристикой вещества. По величине пи-
разец бомбардируется нейтронами, то метод носит название ней-
ков судят о количестве исследуемого вещества (чем пик выше,
тронно-актиоационного анализа. Другие способы активации не
тем больше концентрация). Полученные пики сравнивают со
имеют отдельных названий и Используются только в специаль-
стандартными пиками известных веществ.
ных случаях, когда исследуемый элемент но активируется нейт-
После идентификации вещества устанавливают его кон-
ронами или активируется со слишком малым выходом.
центрацию, сравнивая высоту экспериментального пика с пи-
Активность, а значит, и количество радионуклида, образу-

<< Пред. стр.

страница 19
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign