Радиометрические методы анализа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Реферат на тему «Радиометрические методы анализа»

Выполнил: студент группы 1111-82

Асфандиярова Лира

Проверил: доцент кафедры ТИПиКМ

Г.С.Батурова, Л.А.Кипрова

Казань 2013



Содержание

Введение

1. Теоретические основы радиометрических методов

1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

1.2 Закон радиоактивного распада

1.3 Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом и счетчики излучения

1.4 Классификация источников радиоактивного излучения и радиоактивных изотопов

2. Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности

2.1 Активационный анализ

2.2 Метод изотопного разбавления

2.3 Радиометрическое титрование

2.4 Методы определения содержания химических элементов по излучению их естественных радиоактивных изотопов

3. Приборы, применяемые для регистрации радиоактивных излучений и частиц

3.1 Сцинтилляционный счетчик

3.2 Черенковский счетчик

3.3 Импульсная ионизационная камера

3.4 Газоразрядный счетчик

3.5 Камера Вильсона

3.6 Диффузионная камера

3.7 Пузырьковая камера

Заключение

Список литературы

радиоактивный излучение изотоп распад



Введение

Методы анализа, основанные на радиоактивности, возникли в эпоху развития ядерной физики, радиохимии, атомной техники и с успехом применяются в настоящее время при проведении разнообразных анализов, в том числе в промышленности и геологической службе.

Основными достоинствами аналитических методов, основанных на измерении радиоактивного излучения, являются низкий порог обнаружения анализируемого элемента и широкая универсальность. Радиоактивационный анализ имеет абсолютно низший порог обнаружения среди всех других аналитических методов (10-15 г). Достоинством некоторых радиометрических методик является анализ без разрушения образца, а методов, основанных на измерении естественной радиоактивности, - быстрота анализа. Ценная особенность радиометрического метода изотопного разведения заключена в возможности анализа смеси близких по химико-аналитическим свойствам элементов, таких, как цирконий - гафний, ниобий - тантал и др.

Дополнительные осложнения в работе с радиоактивными препаратами обусловлены токсичными свойствами радиоактивного излучения, которые не вызывают немедленной реакции организма и тем самым осложняют своевременное применение необходимых мер. Это усиливает необходимость строгого соблюдения техники безопасности при работе с радиоактивными препаратами. В необходимых случаях работа с радиоактивными веществами происходит с помощью, так называемых манипуляторов в специ-альных камерах, а сам аналитик остается в другом помещении, надежно защищенном от действия радиоактивного излучения.

Радиоактивные изотопы применяются в следующих методах анализа:

метод изотопного разбавления;

радиометрическое титрование;

активационный анализ;

определения, основанные на измерении радиоактивности изотопов, встречающихся в природе.

В лабораторной практике радиометрическое титрование применяют сравнительно редко. Применение активационного анализа связано с использованием мощных источников тепловых нейтронов, и поэтому этот метод имеет пока ограниченное распространение.



1. Теоретические основы радиометрических методов

1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

Открытие радиоактивности относится к 1896 г., когда А. Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает излучение, названное им радиоактивным (от лат. radio - излучаю и activas - действенный).

Радиоактивное излучение возникает при самопроизвольном распаде атомного ядра. Известно несколько типов радиоактивного распада и радиоактивного излучения.

б-Распад. Распад ядра с выделением б-частиц, которые являются ядрами Не2+. Например: U

B соответствии с законом радиоактивного смещения, при б-распаде получается атом, порядковый номер которого на две единицы, а атомная масса на четыре единицы меньше, чем у исходного атома.

в-Распад. Различают несколько видов в-распада: электронный в-распад; позитронный в-распад; К-захват. При электронном в-распаде, например, нейтрон внутри ядра превращается в протон. При испускании отрицательно заряженной в-частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется. При позитронном в-распаде из атомного ядра выделяется позитрон (в+-частица), а протон внутри ядра превращается в нейтрон. Например:

Продолжительность жизни позитрона невелика, так как при столкновении его с электроном происходит аннигиляция, сопровождающаяся испусканием г-квантов.

При К-захвате ядро атома захватывает электрон из близлежащей электронной оболочки (из К-оболочки) и один из протонов ядра превращается в нейтрон. Например:

На свободное место в К-оболочке переходит один из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием жесткого рентгеновского излучения.

Поток б- и в-частиц называют соответственно б- и в-излучением. Кроме того, известно г-излучение. Это электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны. В принципе, г-излучение близко к жесткому рентгеновскому и отличается от него своим внутриядерным происхождением. Рентгеновское излучение возникает при переходах в электронной оболочке атома, а г-излучение испускает возбужденные атомы, получившиеся в результате радиоактивного распада (б или в).

1.2 Закон радиоактивного распада

Скорость радиоактивного распада пропорциональна числу имеющихся ядерN: где л - постоянная распада.

При интегрировании получаем:

если t = 0, to N = N0 и, следовательно, const = -lg N0. Окончательно

Или

где А - активность в момент времени t; A0 - активность при t = 0.

Уравнения (1) и (2) характеризуют закон радиоактивного распада. В кинетике они известны как уравнения реакции первого порядка.

В качестве характеристики скорости радиоактивного распада обычно указывают период полураспада Т_1\2, который так же, как и л, является фундаментальной характеристикой процесса, не зависящей от количества вещества.

Периодом полураспада называют промежуток времени, в течение которого данное количество радиоактивного вещества уменьшается наполовину.

Таким образом, в момент времени Т_1\2 отношение

С учетом этого соотношения уравнение (2) можно переписать:

Период полураспада различных изотопов существенно различен. Он находится в пределах примерно от 10¹⁰ лет до ничтожных долей секунды. Конечно, вещества, имеющие период полураспада 10-15 мин и меньше, использовать в лаборатории трудно. Изотопы с очень большим периодом полураспада также нежелательны в лаборатории, так как при случайном загрязнении этими веществами окружающих предметов потребуется специальная работа по дезактивации помещения и приборов.

1.3 Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом и счетчики излучения

В результате взаимодействия радиоактивного излучения с веществом происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул вещества, через которое оно проходит. Излучение производит также световое, фотографическое, химическое и биологическое действие. Например, первичным результатом действия ра-диоактивного излучения на воздух является появление ионов:

Обладают сильным физиологическим действием - при больших дозах они являются одной из причин лучевой болезни, малокровия и т. д., так как энергично взаимодействуют с ферментами и составными частями крови. Опасность радиоактивного воздействия возрастает вследствие того, что организм не обладает болевыми реакциями на действие радиоактивного излучения. Быстрое превращение этих частиц в безопасные для человеческого организма является одним из эффективных приёмов борьбы с лучевой болезнью.

Радиоактивное излучение вызывает большое число химических реакций в газах, растворах, твердых веществах. Их обычно объединяют в группу радиационно-химических реакций. Сюда относятся, например, разложение (радиолиз) воды с образованием водорода, пероксида водорода и различных радикалов, вступающих в окислительно-восстановительные реакции с растворенными веществами. Радиоактивное излучение вызывает разнообразные радиохимические превращения различных органических coединений - аминокислот, кислот, спиртов, эфиров и т.д. Интенсивное радиоактивное излучение вызывает свечение стеклянных трубок и ряд других эффектов в твердых телах.

1.4 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 концентраций:

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 до 1•10-11 кюри/л): 22Na, 45Са, 60Co, 89Sr, 110Ag, 131I, 137Cs, l41Ce, 210Pb, U (ест.) и др.

Группа В - изотопы средней радиотоксичности (ПДК от 1•10-11 до 1•10-9 кюри/л): 24Na, 32P, 35S, 36C1, 42К, 56Mn, 55, 59Fe, 69Zn, 76As, 82Br, 124, 125Sb, 140Ba и др.

Группа Г - изотопы наименьшей радиотоксичности (ПДК от 1•10-9 кюри/л): 3Н, 14С и др.



2. Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности

2.1 Активационный анализ

Активацией называется процесс получения радиоактивного вещества в результате ядерных реакций при облучении стабильных ядер нейтронами, гамма-квантами, протонами или другими частицами.

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/kN_A

где М ? атомная масса определяемого элемента, i определяется по активности I изотопа B.

Наряду с абсолютным методом, основанным на соотношении 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:

1. Радиоизотопные (ампульные) источники.

2. Ядерные реакторы.

3. 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 (10¹⁴-10¹⁵ 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 больших размеров.

Активационный анализ на заряженных частицах, в связи с их малыми пробегами в веществе, используется главным образом для анализа тонких слоев и поверхностей.

2.2 Метод изотопного разбавления

В основе метода изотопного разбавления лежит допущение, что разные нуклиды одного и того же элемента химически эквивалентны. Метод целесообразно использовать для определения близких по свойствам компонентов трудно разделяемых смесей. Метод изотопного разбавления сочетает в себе преимущества методов внутреннего стандарта и добавок.

Его идею лучше всего рассмотреть на конкретном примере. При определении свинца методом изотопного разбавления в анализируемый раствор, содержащий х (г) свинца, вводят небольшое известное количество радиоактивного изотопа Рb^*, в результате чего раствор приобретает активность А₀. Какое-то количество полученного раствора осаждают раствором сульфата и получают m (г) осадка PbSO4 с активностью А. Если радиоактивный изотоп вводился в анализируемый раствор без носителя, то из пропорции

где F - фактор пересчета PbSO4 на Pb.

Если изотоп вводился с носителем, то

где m' - масса радиоактивного препарата с носителем.

При m' = 0 (изотоп без носителя) соотношение (б) переходит в (а). Как видно, пропорциональность активности изотопа количеству определяемого компонента позволяет получить точный результат и без достижения полноты осаждения, что является существенным достоинством метода изотопного разбавления.

Определение активности осадка часто нежелательно из-за адсорбции, самопоглощения и других явлений, искажающих истинную величину активности, поэтому обычно определяют активность раствора после отделения осадка. Если А1 и V1 - удельная активность и объем раствора до осаждения, A2 и V2 - после него, то, очевидно, активность осадка А будет равна А = А1V1 - А2V2.

Применение метода изотопного разбавления предполагает, что закон постоянства изотопного состава элементов соблюдается, химические свойства радиоактивного и неактивного изотопов неразличимы и реакции изотопного обмена радиоизотопа с «третьими» компонентами смеси не происходят.

Для выделения анализируемого компонента в методе изотопного разбавления наряду с осаждением используется также экстракция, хроматография и другие методы разделения, а для определения количества выделенного компонента применяют спектральные, электрохимические и другие методики.

2.3 Радиометрическое титрование

При радиометрическом титровании индикаторами являются радиоактивные изотопы элементов. Например, при титровании фосфата магнием в анализируемый раствор вводят небольшое количество фосфата, содержащего радиоактивный Р*.

При титровании протекает реакция

Изменение активности в ходе этого титрования можно видеть на рис.1 а. Здесь же показано графическое определение точки эквивалентности (т.э.). До т.э. раствора будет резко убывать, так как радиоактивный HP*O₄^2- из раствора будет переходить в осадок. После т.э. активность раствора будет оставаться практически постоянной и очень небольшой.

Как видно из рис.1. б. добавление гидрофосфата к раствору Mg2+ до т.э. практически не будет вызывать увеличения активности раствора, так как радиоактивный изотоп Р* будет переходить в осадок MgHP*O4. После т.э. активность раствора начинает возрастать пропорционально концентрации гидрофосфата.

Реакции радиометрического титрования должны удовлетворять требованиям, обычно предъявляемым к реакциям титриметрического анализа (скорость и полнота протекания реакции, постоянство состава продукта реакции и т. д.). Очевидным условием применимости реакции в данном методе является также переход продукта реакции из анализируемого раствора в другую фазу, с тем, чтобы устранить помехи при определении активности раствора. Этой второй фазой часто является образующийся осадок. Известны методики, где продукт реакции экстрагируется органическим растворителем. Например, при титровании многих катионов дитизоном в качестве экстрагента применяют хлороформ или тетрахлорид углерода. Применение экстракции позволяет более точно установить точку эквивалентности, так как в этом случае для ее определения можно измерять активность обеих фаз.

2.4 Методы определения содержания химических элементов по излучению их естественных радиоактивных изотопов

Многие химические элементы являются радиоактивными, т. е. все их изотопы радиоактивны. К ним относятся технеций, прометий и все естественные и искусственные элементы, стоящие в периодической системе элементов после висмута. Кроме того, ряд нерадиоактивных химических элементов в естественной смеси изотопов содержит радиоактивные изотопы.

Следует сказать, что на практике из нерадиоактивных элементов только калий определяется этим способом.

Для определения содержания радиоактивных элементов или нерадиоактивных, содержащих в естественной смеси радиоактивные изотопы, можно использовать два способа.

В первом способе определяется активность анализируемого образца (распад/сек), и рассчитывается количество искомого элемента.

Этот способ сложен, так как определение активности (распад/сек) в большинстве случаев представляет собой трудную задачу.

Практически более доступно относительное измерение, т. е. измерение активности анализируемого образца и эталона или серии эталонов с известным содержанием определяемого элемента. Необходимо, чтобы была достигнута полная идентичность условий измерения образца и эталонов: положение их относительно детектора излучения, толщина слоя и плотность. В этом случае содержание элемента в анализируемом образце может быть найдено по калибровочному графику в координатах активность - содержание элемента или по формуле:

где рх и рэ - содержание искомого элемента в образце и эталоне;

А и Аэ - активность анализируемого образца и эталона.

Второй способ основан на определении количества дочернего радиоактивного изотопа, накапливающегося за определенный промежуток времени из материнского:

где NД и NM - количества атомов дочернего и материнского радиоактивных изотопов;

лД и лм - константы распада дочернего и материнского изотопов;

t - время накопления дочернего изотопа из чистого материнского.

Этот способ применяется для определения содержания тех изотопов, которые распадаются с образованием других радиоактивных изотопов, например радия по дочернему радону, урана по UX1 и т. п.



3. Приборы, применяемые для регистрации радиоактивных излучений и частиц

На изучении взаимодействия радиоактивного излучения с веществом основаны различные способы обнаружения и измерения радиоактивности.

Приборы, применяемые для регистрации радиоактивных излучений и частиц, де-лятся на две группы:

1) приборы, позволяющие регистрировать прохождение частицы через определенный участок пространства и в некоторых случаях определять ее характеристики, например энергию (сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, импульсная ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик);

2) приборы, позволяющие наблюдать, например фотографировать, следы (треки) частиц в веществе (камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая камера, ядерные фотоэмульсии).

3.1 Сцинтилляционный счетчик

Наблюдение сцинтилляций -- вспышек света при по-падании быстрых частиц на флуоресцирующий экран -- первый метод, позволивший У. Круксу* и Э. Резерфорду на заре ядерной физики (1903) визуально регистрировать a-частицы. Сцинтилляционный счетчик -- детектор ядерных частиц, основными элементами которого являются сцинтиллятор (кристаллофосфор и фотоэлектронный умножитель), позволяющий преобразовывать слабые световые вспышки в электрические импульсы, регистрируемые электронной аппаратурой. Обычно в качестве сцинтилляторов используют кристаллы некоторых неорганических (ZnS для a-частиц; NaI-Tl, CsI-Tl -- для b-частиц и g-квантов) или органических (антрацен, пластмассы -- для g-квантов) веществ.

* У. Крукс (1832--1919) -- английский физик и химик.

Принцип действия сцинтилляционного счётчика состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны.

Излученный свет собирается - в спектральном диапазоне сцинтиллятора - на фотоприёмник. В качестве последнего часто служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и фотодиоды.

Схема сцинтилляционого счетчика: 1- источник излучения; 2- фосфор; 3- фотокатод; 4- диоды; 5- анод

3.2 Черенковский счетчик

Назначение черенковских счетчиков -- это измерение энергии частиц, движущихся в веществе со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде, и разделение этих частиц по массам. Зная угол испускания излучения, можно определить скорость частицы, что при известной массе частицы равносильно определению ее энергии. С другой стороны, если масса частицы не известна, то она может быть определена по независимому измерению энергии частицы. Кроме того, при наличии двух пучков частиц с разными скоростями будут различными и углы испускания излучений, по которым можно искомые частицы определить. Для черенковских счетчиков разрешение по скоростям (иными словами, по энергиям) составляет 10-³ --10-⁵. Это позволяет отделять элементарные частицы друг от друга при энергиях порядка 1 ГэВ(гигаэлектронвольт), когда углы испускания излучения различаются очень мало. Время разрешения счетчиков достигает 10-⁹ с. Счетчики Черенкова устанавливаются на космических кораблях для исследования космического излучения.

3.3 Импульсная ионизационная камера

-- это детектор частиц, действие которого основано на способности заряженных частиц вызывать ионизацию газа. Ионизационная камера представляет собой заполненный газом электрический конденсатор, к электродам которого подается постоянное напряжение. Регистрируемая частица, попадая в пространство между электродами, ионизует газ. Напряжение подбирается так, чтобы все образовавшиеся ионы, с одной стороны, доходили до электродов, не успев рекомбинировать, а с другой -- не разгонялись настолько сильно, чтобы производить вто-ричную ионизацию. Следовательно, в ионизационной камере на ее электродах непосредственно собираются ноны, возникшие под действием заряженных частиц. Иониза-ционные камеры бывают двух типов: интегрирующие (в них измеряется суммарный ионизационный ток) и импульсные, являющиеся, по существу, счетчиками (в них регистрируется прохождение одиночной частицы и измеряется ее энергия, правда, с довольно низкой точностью, обусловленной малостью выходного импульса).

3.4 Газоразрядный счетчик

Газоразрядный счетчик обычно выполняется в виде наполненного газом металлического цилиндра (катод) с тонкой проволокой (анод), натянутой по его оси. Хотя газоразрядные счетчики по конструкции похожи на ионизационную камеру, однако в них основную роль играет вторичная ионизация, обусловленная столкновениями первичных ионов с атомами и молекулами газа и стенок. Можно говорить о двух типах газоразрядных счетчиков: пропорциональных (в них газовый разряд несамостоятельный, т. е. гаснет при прекращении действия внешнего ионизатора) и счетчиках Гейгера -- Мюллера* (в них разряд самостоятельный т. е. поддерживается после прекращения действия внешнего ионизатора).

В пропорциональных счетчиках обычно катодом служит цилиндр, а анодом -- тонкая (10--100 мкм) металлическая нить, натянутая по оси цилиндра. Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь электроны дрейфуют под действием поля без "размножения". П. с. заполняют инертными газами (рабочий газ не должен поглощать дрейфующие электроны) с добавлением небольшого количества многоатомных газов, которые поглощают фотоны, образующиеся в лавинах.

Счетчик Гейгера -- Мюллера по конструкции и принципу действия существенно не отличается от пропорционального счетчика, но работает в области вольт-амперной характеристики, соответствующей самостоятельному разряду, когда выходной импульс не зависит от первичной ионизации. Счетчики Гейгера -- Мюллера регистрируют частицу без измерения ее энергии. Коэффициент усиления этих счетчиков составляет 10⁸. Для регистрации раздельных импульсов возникший разряд следует гасить.

Рис. Схема пропорционального счетчика

Рис. Установка для регистрации радиоактивных излучений: а - счетчики Гейгера--Мюллера; б -- внешний вид счетной установки; в -- схема счетной установкм; 1 -- газовый счетчик; 2 -- высоковольтный выпрямитель; 3 -- усилитель; 4 -- пересчетное устройство; 5 -- электромеханический счетчик

3.5 Камера Вильсона

(1912) -- это старейший и на протяжении многих десятилетий (вплоть до 50--60-х годов) единственный тип трекового детектора. Выполняется обычно в виде стеклянного цилиндра с плотно прилегающим поршнем. Цилиндр наполняется нейтральным газом (обычно гелием или аргоном), насыщенным парами воды или спирта. При резком, т. е. адиабатическом, расширении газа пар становится пересыщенным и на траекториях частиц, пролетевших через камеру, образуются треки из тумана. Образовавшиеся треки для воспроизводства их пространственного расположения фотографируются стереоскопически, т. е. под разными углами. По характеру и геометрии треков можно судить о типе прошедших через камеру частиц (например, a-частица оставляет сплошной жирный след, b-частица -- тонкий), об энергии частиц (по величине пробега), о плотности ионизации (по количеству капель на единицу длины трека), о количестве участвующих в реакции частиц.

* Ч. Вильсон (1869--1959) -- английский физик.

Российский ученый Д. В. Скобельцын (1892--1990) значительно расширил возмож-ности камеры Вильсона, поместив ее в сильное магнитное поле (1927). По искривлению траектории заряженных частиц в магнитном поле, т.е. по кривизне трека, можно судить о знаке заряда, а если известен тип частицы (ее заряд и масса), то по радиусу кривизны трека можно определить энергию и массу частицы даже в том случае, если весь трек в камере не умещается (для реакций при высоких энергиях вплоть до сотен мегаэлектрон-вольт). Недостаток камеры Вильсона -- ее малое рабочее время, составляющее примерно 1% от времени, затрачиваемого для подготовки камеры к последу-ющему расширению (выравнивание температуры и давления, рассасывание остатков треков, насыщение паров), а также трудоемкость обработки результатов.

Рис. Схема Камеры Вильсона

3.6 Диффузионная камера

(1936) -- это разновидность камеры Вильсона. В ней рабочим веществом также является пересыщенный пар, но состояние пересыщения создастся диффузией паров спирта от нагретой (до 10°С) крышки ко дну, охлаждаемому (до --60°С) твердой углекислотой. Вблизи дна возникает слой пересыщенного пара толщиной примерно 5 см, в котором проходящие заряженные частицы создают треки. В отличие от вильсоновской диффузионная камера работает непрерывно. Кроме того, из-за отсутствия поршня в ней могут создаваться давления до 4 МПа, что значительно увеличивает ее эффективный объем.

Рис. Диффузионная камера: 1 - фотоаппарат; 2 - стеклянная крышка; 3 - лоток, наполненный спиртом; 4 - стеклянный цилиндр; 5 - металлическая пластина; 6 - сухой лед

3.7 Пузырьковая камера

(1952; американский физик Д. Глезер (р. 1926)). В пузырьковой камере рабочим веществом является перегретая (находящаяся под давлением) прозрачная жидкость (жидкие водород, пропан, ксенон). Запускается камера, так же как и камера Вильсона, резким сбросом давления, переводящим жидкость в неустойчивое перегретое состояние. Пролетающая в это время через камеру заряженная частица вызывает резкое вскипание жидкости, и траектория частицы оказывается обозначенной цепочкой пузырьков пара -- образуется трек, который, как и в камере Вильсона, фотографируется. Пузырьковая камера работает циклами. Размеры пузырьковых камер примерно такие же, как камеры Вильсона (от десятков сантиметров до 2 м), но их эффективный объем на 2--3 порядка больше, так как жидкости гораздо плотнее газов. Это позволяет использовать пузырьковые камеры для исследования длинных цепей рождений и распадов частиц высоких энергий.



Заключение

Все описанные выше радиометрические методы анализа не лишены ряда недостатков, но они являются вполне перспективными и могут широко применяться в случае необходимости. Количественный анализ с применением радиоактивных индикаторов часто оказывается более простым и более чувствительным, чем другие методы химического анализа.

Применение радиоактивности в аналитической химии весьма многообразно. Измерение радиоактивности широко применяют также в научно-исследовательских целях: для исследования механизмов химических реакций, определения растворимости малорастворимых соединений, исследования процессов разделения и для решения многих других задач, включая определение важнейших физико-химических констант (констант устойчивости координационных соединений, констант ионообменных процессов и т. д.).



Список литературы

1. Векслер В. Ионизационные методы исследования излучений/ В. Векслер, Л. Грошев, Б. Исаев. М. -Л.: Гостехиздат, 1949. 424 с.

2. Калашникова В. И. Детекторы элементарных частиц (Экспериментальные методы ядерной физики, [ч. 1])/ В.И. Калашникова, М.С. Козодаев. М.: Наука, 1966. 408 с.

3. Крешков А.П.Основы аналитической химии. Физико-химические (инструментальные) методы анализа/ А.П. Крешков. М.: Химия, 1970. 472 с.

4. Васильев В.П. Аналитическая химия (Физико-химические методы анализа, [ч.2])/ В.П.Васильев. М.: Дрофа, 2009. 382 с.

Размещено на Allbest.ru