Радиометрические методы анализа основаны на измерении излучений, испускаемых радиоактивными элементами. Для регистрации излучений применяют специальные установки с использованием счетчиков Гейгера-Мюллера. При действии приемник радиоактивных излучений в нем возникает электрический ток в виде кратковременных импульсов, которые специальной радиотехнической аппаратурой усиливаются, выравниваются по величине и поступают на регистрирующее счетное устройство.

Радиоактивные изотопы применяются в следующих методах анализа: метод осаждения в присутствии радиоактивного элемента; метод изотопного разбавления; радиометрическое титрование; активационный анализ; определения, основанные на измерении радиоактивности изотопов, встречающихся в природе и т. д.

Метод изотопного разбавления основан на тождественности химических реакций изотопов данного элемента. Для его осуществления к анализируемой смеси добавляют некоторое количество определяемого вещества m 0, содержащего в своём составе радиоактивный изотоп с известной радиоактивностью I 0. Затем выделяют любым доступным способом (например, осаждением, экстракцией, электролизом) часть определяемого вещества в чистом состоянии и измеряют массу m 1 и I 1 радиоактивность выделенной порции вещества. Общее содержание искомого элемента в анализируемом объекте находят из равенства отношений радиоактивности выделенной пробы к радиоактивности введённого вещества и массы выделенного вещества к сумме масс введённого вещества и находящегося в анализируемой смеси:

Метод изотопного разбавления имеет преимущество перед другими радиометрическими методами в тех случаях, когда полное выделение исследуемого вещества из анализируемой смеси затруднительно или невозможно.

Радиоактивационный анализ. Принцип этого метода заключается в переводе стабильных изотопов элемента в радиоактивные, измерение радиоактивности которых служит критерием содержания данного элемента в анализируемом объекте. Для этого анализируемые образцы подвергают облучению, например, в атомном реакторе. Активность измеряют при помощи специальных счетных устройств. Период полураспада и энергия излучения являются специфичными для индивидуальных радиоизотопов, т. е. применяя радиоактивационный анализ, можно контролировать чистоту получаемых веществ.

Измерив радиоактивность и зная время облучения, интенсивность потока облучающих частиц, соответствующие ядерно-физические данные определяемого элемента, можно вычислить его весовое количество. Одновременно с исследуемым веществом облучают стандартные образцы, содержащие точно известные количества определяемых элементов. Сравнивая в одинаковых условиях активности определяемого вещества и стандартных образцов, можно вычислить содержание определяемого элемента.

Радиоактивационный метод отличается многими преимуществами по сравнению с другими методами анализа. Метод обладает высокой чувствительностью. Основным недостатком его является то, что не все элементы можно определять этим методом. Образующийся после облучения радиоактивный элемент должен иметь сравнительно большой период полураспада, достаточный для того, чтобы можно было успеть провести химическое разделение и измерение активности выделенного элемента. Применяя радиоактивационный метод анализа, можно определять микроколичества различных элементов в морской воде; редкоземельных металлов в рудах; золото, платину, палладий и иридий в серебре и никеле; никель, кобальт, медь, мышьяк, теллур в сурьме и т. д.

Фотонейтронный метод основан на испускании нейтронов при действии фотонов высокой энергии (γквантов) на ядра атомов химических элементов. Количество нейтронов, определяемое нейтронными детекторами, пропорционально содержанию анализируемого элемента. Эта энергия фотонов должна превышать энергию связи нуклонов в ядре, которая для большинства элементов составляет 8 Мэ. В (лишь для бериллия и дейтерия она равна соответственно 1, 666 Мэ. В и 2, 226 Мэ. В; при использовании в качестве источника γ-квантов изотопа 124 Sb, с Eγ = 1, 7 и 2, 1 Мэ. В, можно определять бериллий на фоне всех др. элементов).

В радиометрии применяются также методы, основанные на поглощении нейтронов, γ-лучей, β-частиц и квантов характеристического рентгеновского излучения радиоактивных изотопов. В методе анализа, основанном на отражении электронов или позитронов, измеряется интенсивность отражённого потока. Энергия частиц, отражённых от лёгких элементов, во много раз меньше энергии частиц, отражённых от тяжёлых элементов, что позволяет определять содержание тяжёлых элементов в их сплавах с лёгкими элементами и в рудах.

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

Радиометрические методы анализа отличаются рядом преимуществ по сравнению с химическими методами. Прежде всего следует отметить их высокую чувствительность, которая значительно выше чувствительности химических, физических и физикохимических методов 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.).

Радиометрические методы анализа основаны на измерении излучений, испускаемых радиоактивными элементами. Для регистрации излучений применяют специальные установки с использованием счетчиков Гейгера-Мюллера (рис. 73). При действии приемник радиоактивных излучений в нем возникает электрический ток в виде кратковременных импульсов, которые специальной радиотехнической аппаратурой усиливаются, выравниваются по величине и поступают на регистрирующее счетное устройство.

Радиометрические методы анализа отличаются рядом преимуществ по сравнению с химическими методами. Прежде всего следует отметить их высокую чувствительность, которая значительно выше чувствительности химических и других физических и физико-химических методов анализа.

Чувствительность этих методов характеризуется, например, следующими данными:

Эти методы анализа применяются для количественного определения микропримесей различных элементов в металлах и неметаллах высокой степени чистоты.

Следует отметить, однако, что точность радиометрических методов невысока и составляет (относительных). Химические методы анализа отличаются более высокой точностью. Но там, где обычные весовой и объемный методы анализа дают большие ошибки, как, например, при определении ничтожно малых примесей, радиометрические методы являются незаменимыми.

Различают следующие радиометрические методы:

1. Метод изотопного разбавления. Метод изотопного разбавления, как указывает само название, основан на разбавлении соединения, меченного радиоактивным изотопом, неактивным компонентом смеси. Для этого к анализируемой смеси добавляют некоторое количество соединения, меченного одним из радиоизотопов и по своему составу совпадающего с определяемым компонентом.

При этом удельная активность соединения, меченного радиоактивным изотопом, уменьшится. Если выделить часть анализируемого вещества, то можно определить конечную удельную активность. Зная начальную и конечную удельные активности, легко вычислить содержание определяемого вещества.

Преимущество этого метода анализа заключается в том, что отпадает необходимость в количественном выделении определяемого вещества при условии полного смешения изотопов. Достаточно выделить лишь часть его в химически чистом виде.

Рис. 73. 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.

Если некоторое количество вещества, отвечающее по составу определяемому соединению, имеет массу и радиоактивность А, то его удельная активность 1г равна:

При добавлении точного количества такого вещества к определенной навеске анализируемого неактивного соединения удельная активность смеси будет равна:

Решая систему приведенных выше уравнений, получим:

но так как , то

где - объем радиоактивного раствора с известной концентрацией С - объем исследуемого раствора; - концентрация анализируемого раствора.

В случае если , формула (1) принимает вид:

Метод изотопного разбавления имеет преимущество перед другими радиометрическими методами в тех случаях, когда полное выделение исследуемого вещества из анализируемой смеси затруднительно или невозможно.

2. Радиоактивационный анализ. Принцип этого метода заключается в переводе стабильных изотопов элемента в радиоактивные, измерение радиоактивности которых служит критерием содержания данного элемента в анализируемом объекте. Для этого анализируемые образцы подвергают облучению, например, в атомном реакторе.

Активность измеряют при помощи специальных счетных устройств.

Период полураспада и энергия излучения являются специфичными для индивидуальных радиоизотопов, т. е. применяя радиоактивационный анализ, можно контролировать чистоту получаемых веществ.

Измерив радиоактивность и зная время облучения, интенсивность потока облучающих частиц, соответствующие ядерно-физические данные определяемого элемента, можно вычислить его весовое количество.

Одновременно с исследуемым веществом облучают стандартные образцы, содержащие точно известные количества определяемых элементов. Сравнивая в одинаковых условиях активности определяемого вещества и стандартных образцов, можно вычислить содержание определяемого элемента.

Радиоактивационный метод отличается многими преимуществами по сравнению с другими методами анализа. Метод обладает высокой чувствительностью. Основным недостатком его является то, что не все элементы можно определять этим методом. Образующийся после облучения радиоактивный элемент должен иметь сравнительно большой период полураспада, достаточный для того, чтобы можно было успеть провести химическое разделение и измерение активности выделенного элемента.

Применяя радиоактивационный метод анализа, можно определять микроколичества различных элементов в морской воде; редкоземельных металлов в рудах; золото, платину, палладий и иридий в серебре и никеле; никель, кобальт, медь, мышьяк, теллур в сурьме и т. д.

К числу радиометрических методов анализа также относятся: радиохроматография, нейтронная абсорбциометрия, радиометрическое титрование и др.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Г.Р. ДЕРЖАВИНА

Институт естествознания

Кафедра неорганической и физической химии

Косьяненко Игорь Сергеевич

Радиометрические методы анализа

(Курсовая работа по физической химии)

Научный руководитель:

старший преподаватель,

к.х.н. Дьячкова Т.П.

Тамбов 2005

Введение …………………………………………………………………...…..……3

1. Теоретические основы радиометрических методов ………………...……...5

1.1. Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения………...……..5

1.2. Закон радиоактивного распада…………………………………………..……6

1.3. Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом и счетчики излучения……………………………………………………………………………...….7

1.4. Классификация источников радиоактивного излучения и радиоактивных изотопов…………………………………………………………………...……..….9

2. Методы определения содержания химических элементов по излучению их естественных радиоактивных изотопов ...………………………………….11

3. Метод изотопного разбавления …………………………………...……….....13

4. Радиоактивационный анализ …………………………………...……………16

5. Радиометрическое титрование ………………………………...……………..19

6. Фотонейтронный метод ………………………………………...……………..21

7. Практическое применение метода осаждения ……………...……………...22

Заключение ………………………………………………………...……………...27

Литература ………………………………………………………...………………28

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 специ­альных камерах, а сам аналитик остается в другом помещении, надежно защищенном от действия радиоактивного излучения.

Радиоактивные изотопы применяются в следующих методах анализа:

метод осаждения в присутствии радиоактивного элемента;

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.