Физика | Талдаудың радиометрлік әдістері

ТАЛДАУДЫН. РАДИОМЕТРЛІК ӘДІСТЕРІ
Радиометрлік талдау әдістеріне изотоптық сүйылту, радиометрлік титрлеу, радиоактивтік немесе жай ғана активтік талдау жәие т б. осы сияқты әдістер жатады. Бүлардың бәрі де α-, β-, γ- және n-сәуле шыгаруды өлшеуге неғізделген.
Радиоактивті сәуле шыгаратын заттармен жүмыс істеген кезде ерекше кауіпсіздік ережесін сактай отырып радиометрлік талдауды арнайы жабдықталған лаборато-рияда жүргізеді.
Изотоптык, сүйылту әдісі. Бүл әдіс бойынша күра-мыида зерттелетін элементі бар талданатын затқа белгілі бір меншікті активтілігі радиоактивтік изотоптың өлше-улі молшерін қосады. Мүган кейін аныкталатын эле-ментті түнбаға түсіру, шаймалау, электролиз, сорбция сияқты белгілі әдістердің бірін қолданып, талданатын за-ттан боледі де, оның активтіғін анықтайды. Кейде бүл әдіс изотопты қосу, изотоппен сүйылту не танбалау әдісі делінеді. Радиометрлік титрлеу одісі. Бүл әдісті екі түрлі жагдайда пайдаланады. Біріншісінде, анықталатын ион-мен нашар еритін түнба түзетін радиоактивті изотопы бар ерітіндімен титрлейді. Титрлеу процесінде ерітіндінің активтілігін олшейді. Екіншісінде, ерітіндіге анықталатын элементтің радиактивті изотопын индикатор ретінде ша-малы косады. Титрленуіне қарай анықталатын ион изо-топпен бірге түнбаға түседі де ерітінді активтігі төмендей келіп түрақтанады.
Радиоактив әдісі. Бүл әдіс зерттелетін затты а-болшекпен, нейтрондардың, протондардың ағымымен сәулелендіруден түрады. Мүндай сәулеленген заттардың қүрамында түзілген әр түрлі элементтердің радиоактивті изотоптарын гамма-спектроскопиялық немесе басқа әдістермен анықтайды. Радиоактивтік күбылыстын ашы-луы 1896 жылдың үлесіне тиесілі, бүл А. Беккерельдің фотографиялық жолақша комегімен ашқан кезінен баста-лады. Табигатта кездесетін уран қосылыстарының өздігінен сәуле шығаратыны байқалды, бүл радиоак-тивтілік деп атады. Радиоактивтілік — атом ядросы ездігінен ыдыраған кезде пайда болатын қүбылыс
Табиғатта кездесетіи элементтердін, борін де дерліх бірнешеден изотоптары бар. Атом ядросының заряды бірдей, бірақ массасы әр түрлі болып келетіндерді изо-топ дейді. Коптеген элементтердің изотоптары табиғатта кездесе бермейді, әйтсе де оларды сол элементтін тиісті изотоптарынан жасанды тосілмен әзірлеуге болады. Мүнымен қатар кептеген изотоптар түрақсыз болып келеді және олар әр түрлі болшектер мен у-кяанттарды белумен өздігінен ыдырауға қабілетті.
Радиометрияда қолданылатын физикалық шамалар
Радиациялық химия мен гигиенада мына шамалар қолданылады: ионданушы сәуде шығару деп ортаны тікелей немесе қосалқы жолмен иондайтын сәуле шыгаруды атайды. Бұған радиоактивті ядролардың (нуклидтердің) барлык сәуле шығару түрлері, сондай-ақ рентген сәулесін шығару жатады.
Құрамында радионуклиді болатын берілген В заты-
ның радиоактивтігін берілген бірлік уақыт ішінде ыды-
раған атомдардың санымен өлшейді. Оны Бк деп
белгілейді, бір Бк (Беккерель) секунд ішінде бір ыды-
рауга сәйкес. Радиоактивтіліктің жүйеден тыскары
өлшемі — Кюри-Ки, Қолданылмалык, жағдайда: I Кп = 3,7*1010 Бк, ягни бір кюри, бір секундтағы 37 миллиард радиоактивтік ыдырауға сәйкес немесе 1г радий элементінің ыдырау санына тек, ол 22688Ra (То, 5=1590 жыл). Радиоактивті заттың бөліп шығаратын бөлшек сапы (α, β, γ), оның активтігіне пропорционал. Берілген В затының радиоактивтігі Aв таңбасы арқылы белгілейді.
Заттық меншікті радиоактивтігі зат активтігінің оның массасына катынасымен анықталады, Ав/Мв = ам бірлік олшемі Б * кг-1 немесе Кu * r , МКu * г-1.
Әрбір радионуклидтерге жартылай ыдырау кезеңі тон және оны Т1/2, То/2 деп белгіленеді де уақыт бірлігімен өлшенеді, әрі ол радиоактивті изотоптың жартысы ыдырайтын уақытқа сәйкес келеді.
Радиоактиівтік ыдырау тұрақтысы (λ) уақыт бірлігінде ыдырайтын радиоактивті атомдардын үлесіне тең шамамен анықталады:
dN = -λNdt
мұндағы dN—ыдыраған атом саны, Т— әуелгі атом саны, dt — ыдырау уақыты. Жартылай ыдырау кезеңімен келесі катынас арқылы байланыскан: λТ0,5 = ln2 = 0,6931 кері уақытпен өлшенеді: с-1, мин-1, тәулік-1, сотке-1, жыл-1 .
Сәуле шығару үлесі — 1 кг заттың сіңірген кез келген сәуле шығару энергиясы. Оны оптикалык тығыздык сияқты D әріпімен белгілейді, бірлік өлшемі — грей: I грей — 1 Дж * Кг-1. Баскаша айтканда, бір грей — иондаушы сәуле шығарудың энергиясы мен түріне тәуелсіз массасы 1 кг заттан 1 Джоульге тең энергия бөлінетін сәуле шығару үлесі.
Жүйе деп тысқары бірлікке іс жүзінде пайдаланылатын бірлік өлшем үлесі — рад: 1 /~р=100 рад; 1 рад = = 0,01 Дж * кг ' = !05 Дж * г"1 Сәулелендіру мерзімі артқан сайын ОНЫҢ үлесі өседі, ал бірдей жағдайда сәулелеңдіргеңдегі үлесі, сәулелендіретін заттың құрамына тәуелді. Сәуле ауруына душар болган адамда 1—2 гр үлесіне сәйкес болса, мұны жеңіл түрі деп есептейді, әдетте, бұл аурудан ешбір емсіз-ақ айығып кетуге болады.
Бөлшектер ағынының тығыздығы ионданушы бөлшектер санының өздері қиып өтетін аудан көлеміне қатынасымен анықталады, ол φ символымен белгіленеді,
β-бөлектің немесе фотонның бірлігімен м2 * с өлшенеді.
Иондаушы сәуле шығарудың энергия ағыны –(Fн символымен белгіленеді,өлшемі Вт ) Иондаушы сәуле шығарудың бір қима арқылы алып өткен энергиясының dE осы энергияны өткізуге кеткен dt уақытқа қатынасы: dFH = dE/dt.
Иондаушы сәуле шығарудағы энергия ағымының тығыздығы әдетте иондаушы сәуле шығарудағы энергия ағымының өзін қиып өтетін және осы ағынға тік бағытпен орналасқан аудан бетіне dS қатынасына тең:
ψ=dFh/ds.
Ол Вт/м2 бірлігімен өлшенеді.
Теориялық негізі
Радиоактивтік ыдырау зақы. Кез келген өздігінен ыдырайтын күбылыстың жылдамдыгы ондагы кондардың санына N пропорционал:
-dN/dt=λN
Мүндағы λ— ыдырау тұрақтысы, с-1.
Бұл интегралды түрде былай белгіленеді:
-ln N = λt * const
t = 0 N = N0 демек, CONST = — lnN0, ал радиоактивтік ыдырау заңы мына түрде болады:
N=N0t-λt немесе А =A0eλt
мұндағы A —t уақыт сәтіндегі активтік, ал A0 — бастапкы сәттегі
(t = 0) активтік.
Т1/2 (Т0.5) уақыт сәтінде, радионуклидтік жартысы ыдыраған кезде N/N0 = 1/2; е-λt = N/N0 = 1/2, бұдан λT1/2 = -ln 2.
T1/2= l2/λ = 0,693/λ; A = Aoe-o,693/T0,5
Радиоактивтік ыдыраудың негізгі сипаттамасына берілген радиоактивті изотоп сан мөлшері (немесе оның активтігі) екі есе азайған аралык уақыт деп аталатын жартылай ыдырау кезеңі қабылданған. Әр түрлі изотоп-тардын жартылай ыдырау кезеңінің әр түрлі болып келетіні 16.1-кестеден байқалады. Мүнда аналитикалык мақсатта пайдалы радиоизотоптар келтірілген. Осы және баска да радионуклидтер таңбалаушы индикаторлар сәуле шығарушы ретінде және радиоактивті титрлеуде реакцияның және процестің өтуін бақылаушы құрал орнына колданылады.
Қазіргі кезде белгілі изотоптардың жартылай ыдырау кезеңі секундтың мыңнан бір бөлігінен бастап миллиондаған жылдар аралығында болады. Бұл мерзімдерді тікелей өлшеуге болмаса да оны жанама тәсілдермен, деректермен анықтайды. Аналитикалық мақсаттарда жартылай ыдырау кезеңі өте аз өмір сүретін және өте ұзақ өмір сүретін изотоптардың пайдалануға болмайды, әдетте, 10 минуттен бірнеше жылға дейінгі жартылай ыдырайтын кезеңі бар изотоптар таңдалынады. Жалпы таңдау кезінде тәжірибеге кететін уакытты да ескереді, оны он кезеңнен тұратын жартылай ыдыраумен шамаластыруға болмайды, олай болған күйде барлық радионуклид ыдырап кетеді.
Радиоактивтік түрлену түрлері және оларды талдау химиясында қолдану. Радиоактивті ыдырау, радиоактивті сәуле шығару және радиоактивтік түрленудің бірнеше түрлері мен типтері белгілі.
α-ыдырау α-бөлшегінің бөлінуімен гелий атомы ядросының ыдырауы болып табылады. Мысалы:
3892U→23490Th + 42α
α-бөлшегінің массасы 4, ал заряды +2 болғандықтан, α-ыдырауы кезінде радиоактивті элемент реттік нөмері екі бірлікке азайған элементтің изотопына айналады.
β-ыдырау ядродан электронның бөлінуімен өтеді, яғни нейтрон протонға айналады, мысалы:
146C → 147N + 01β-1
β - бөлшектін заряды теріс болғандықтан, әдетте, алынған изотоп ядросының заряды бірге артады да, ал массасы өзгеріссіз қалады. Өйткені, электронның массасы позитрондікі сияқты нөлге жуық. Сондыктан кейде β - ыдырауды электрондық ыдырау деп те атайды.
Позитрондық ыдырау позитронның оң зарядталған электронның немесе β - бөлшектерінің бөлінуімен өтеді. Мұндай реакцияның нәтижесінде әдетте, периодтық кестенің сол жағында тұрған көрші элемент алынады. Мысалы:
2211Na → 2210Ne 01 β
Бұл реакция 90 (ықтималдықпен жүзеге асады, 10) үлесіне басқа процесс жүреді, яғни К-сәуле шығаратын рентген элементіне тән
К-деңгейден е электронды спонтанды қармап алу (К-қармау) процесі жүреді.
2211Na + ē → 2210Ne + hv
Әдеттегідей радиоактивті ыдырау кезінде v-квант немесе фотон бөлінуімен қосарлана жүреді. Мұны да v-бөлшектер деп атайды. Бұл бөлшектердің сипаттамасы кестеде келтірілген.
Радиоактивтік ыдырау кезінде пайда болатын бөлшектер
Бөлшек Танбасы Массасы Заряды Ену қабілеті Иондау
қабілеті
Электрон Позитрон Альфа бөлшек Нейтрон Фотон ғ
(1 м 5,439*10-4 5,439*10-4 3,9948 1,000
0,000 -1
+1
+ 2
0
0 орташа орташа төмен
өте жоғары өте жоғары орташа орташа жоғары
жоқ
өте төмен
1,6024 Кл
Әрбір ядродан бөлінетін сәуле шығару мен бөлшектер бөліну кезіндегі ұшып шығу жылдамдығы мен энергиясы бойынша ерекшеленеді. Олар ыдырайтын изотоптармен сипатталады, демек, оларды активтік талдау үшін пайдалануға болады.
Спонтанды (тасқынды) бөліну периодтық жүйедегі z>90 элементтерге тән. Спонтанды бөліну кезінде атомдар теңдей жаңқаланған бөлшектерге бөлінеді, яғни кестенің ортасына орналасқан α, - β және γ- бөлшектер шығаратын элементтерге бөлінеді.
Изотоптардың химиялық касиеттері бойынша айырмашылығы болмайтынын ескерген жөн, яғни изотоптар қоспасы өзін бір изотоп сияқты ұстайды, ал оған бір изотоп қосылса, айталық тұрақтығы радиоактивтіні қосканда оларда изотоптық сұйылу жүреді, диффузия салдарынан бір қалыпты тепе-теңдік орнайды. Бұл фактілер талдаулық химиядағы изотоптық сұйылту немесе таңбалау әдісінде пайдаланады.
Ядролық реакциялар. Затты бөлшектердің, протондардың, нейтрондардың және басқалардың ағынымен соққылау (сәулелендіру) кезінде ядролық түрлену жүреді, олар мына теңдеулермен өрнекеледі.
2713Al + 42 α → 3015p +10n
2713Al + 11p → 2412Mg + 42 α
2713Al + 10n → 2712Mg + 11p
Бұл түрленулердің қысқаша түрі жиі қолданылады:
27А1 (а, п)30Р, 27Аl (Р, а)24 Мg, 27Al (п, Р)27 Мg.
Көрсетілген реакцияларда ыдырауы өнімдерге келтіретін аралық аса тұрақсыз радионуклидтер белгіленбеген. Затты соққылау, әдетте, күрделі тездеткіштерде, циклотрондарда, немесе зерттеулік не өндірістік мақсаттағы реакторларда жүргізіледі. Ал нейтрондық реакторларды барлық қауіпсіздік ережесін сақтай отырып, лабораторияларда орналастыруға болады.
Жасанды радиоактивтікті ерлі-зайыпты И. Кюри мен
Ф.Жолио-Кюри 1934 жылы ашты. Олар 16.12-теңдеуге сәйкес алюминийді α - бөлшектермен сәулелендіруден туындайтын сәуле шығаруды байқайды. Бұл түрлену иәтижесінде пайда болатын фосфордың радиоактивті изотопы да одан әрі ыдырай келе кремний изотопына айналды:
3015p → 3014Si + β+
Қазіргі кезде ядролық химия түбегейлі зерттелініп, жасанды жолмен көптеген изотоптар алынды. Ядролық реакция көмегімен табиғатта жоқ, бірақ олар үшін периодтық кестеде 43, 61, 85, 87 сияқты бос нөмерлі элементгер ашылды. Бұлар: технеций, прометий, астат және франций. Сондай-ақ ядролық реакция аркылы бірнеше актиноидты элементтер де анықталады.
Нейтрондар ағынының әсерінен болатын ядролық түрленуді талдаулық максатта пайдаланады. Мүндайда туындайтын жана радиоактивті изотоптар жеке де таза түрінде бөлініп, квант активтігі мен энергиясы бойынша, яғни спектроскопиялык әдіспен анықталынады.
Радиоактивтік сәуле шығарудың, затпен әрекеттесуі.
Шығарылған радиоактивті сәуле затқа әсер еткен кезде оның салдарынанзаттағы атомдар мен молекулалар қозып, ионданады. Сондай-ақ мұндай сәулелер фото жолақ пен жолаққа, химиялық және биологиялық заттарға да әсер етеді. Мысалы, радиоактивті сәуле 318 шығару ауанын молекуласына әсер еткенде мына жүйедегі реакциялар жүруі мүмкін:
O2 + ҺV = О2+ + е- О2 + e- → O2-
H2 + ҺV = N2+ + е- N2 + e- → N2-
Н20 + ҺV = Н20+ + е- Н2О + е- → Н2О
H20+ = Н+ + ОН Н2О→ H- + 0Н-
Осы теңдеу бойынша жүретін түрленудің нәтижесінде аса күшті физиологиялық және химиялық әсерге ие болатын өте активті радикалдар түзіледі (оларды нүктемен таңбалайды Н; (-ОН). Мөлшерден асып кеткен жағдайда қан (сәуле) ауруына шалдықтырады. Демек, олар ферменттермен және басқа физиологиялық активті заттармен қуатты әрекеттесе алады. Мүндайда радикалдар молекуламен әрекеттескенде әуелі оларды иондайды және өзі сияқты активті радикалға айналдырады. Радиоактивті сәуле шығарудың затпен өзара әсерінің процестері радиациялық химияда қарастырылады.
Радиоактивтік сәуле шығаруды зерттеу мақсатында оларды тіркеудің әр түрлі тәсілдері жасалған. Радиоактивті сәуле шығарудың осы сәулені есептеуіштердің жұмыс істеу принциптеріне орай бірнеше топқа бөлінеді:
Иондаушы есептеуіштер келіп түскен радиоактивті бөлшектердің ионизация немесе газдың разрядын тудыратын α және β γ-бөлшектерін тіркеу принципі бойынша жумыс істейді. Олардың арасындагы көп тарағаны иондаушы камера және Гейгер-Мюллер есептеуіші. Олар химиялық.-аналитикалық жане радиохимиялық лабораторияларда қолданылады. Өнеркәсіпте осындай есептеуіштер орналасқан арнаулы қондырғылар шыгарылады.
Сцинтилляциялық есептеуіштер сцинтиллятор атомдарын қоздырып қайтадан өзінің калыпты күйіне ауысқан кезде жарык етіп жарық беретін радиоактивті бөлшектер мен γ - кванттарды өлшейді.
Радиохимия дамуының алғашқы кезінде сцинтилляцияны есептеу маңызды болды, алайда ол аса қолайлы болмағандықтан, оны Гейгер-Мюллер есептеуіші ығыстырды. Соңғы кезде сцинтилляциялық әдіс аналитикалық химияда қайтадан қолданыла бастады, фотокөбейткішті пайдалануга байланысты автоматты режимде өлшеу жүргізуге мүмкіндік берді.
Черенков есептеуіштері. Берілген ортадағы бөлшек жылдамдыгы жарық жылдамдығынан асқан жағдайда мелдір затта зарядталган бөлшектердің қозгалысы кезінде жарықтың сәуле шығаруы мен түсірілетін Черенков эффектісіне негізделген. Мұнда бөлшек жылдамдыңы жарык жылдамдыгыиан жогары болуы мүмкін болганымен, ауасыз ортада (вакуумда) одан кіші болып қалады. Демек, Черенков есептеуішін аса шапшаң болшектермен ғарышты зерттеу үшін қолданады.
Радиоактивті элементтерді тікелей сандық өлшеу. Табиғи радиоактивтігі бар элементтер мен оларды қосылыстарын бірден α- және β-, γ- активтікті тікелей өлшеу арқылы анықтайды. Мұндай радиоактивтік қасиет периодтық жүйедегі висмуттан кейін орналасқан элементтердің бәрін де болатындықтан, ол элементтерді радиоактивті элементтер дейді. Бұлардан басқа көміртегі мен калий элементтерін де тура сандық өлшеу арқылы анықтайды. Калийді концентрациясы 0,05 М ерітіндісінде оны табиғи радиоактивтігі бойынша өлшеуге болады.
Басқа элементтерді, олардың түрліше радиоактивтілігі бойынша аныктау оған изотопты қоскандагы озгерісі құрамындагы проценттік үлесі мен қатынасы бойынша немесе градуирлеу графигінің көмегімен жүргізеді. Радиоактивті элементтерді өлшеу үшін оларга сәйкес өлшеуіш қондырғыталдауыштармен жалғастырылған радиоактивті сәуле .......