Радиометрические методы обычно объединяют в одну группу ядерно-физических методов, основанных на использовании ядерных реакций, сопровождающихся различными видами радиоактивных излучений. В одних случаях радиоактивное излучение является следствием естественного распада ядер атомов (U238, Ra226, Th232, K40 и др.), в других случаях этот распад обеспечивают искусственно при «бомбардировке» (облучении) атомов со стабильными изотопами быстро летящими
(с большой энергией) частицами-нейтронами и протонами. Но независимо от того, используется ли радиоактивный изотоп естественного происхождения или он получен искусственным путем, испускаемое радиоактивное излучение всегда обусловлено ядерной реакцией, в ходе которой суммарное число зарядов (порядковые номера элементов) и нуклонов (массы атомов) сохраняется неизменным.
Испускаемое радиоактивное излучение является характеристическим свойством радиоактивного изотопа, которое может быть использовано как при качественной идентификации радиоактивного элемента, так и при его количественном определении.
Основными радиоактивными излучениями, широко применяемыми в аналитической химии, являются α- и β- частицы, γ-лучи и нейтронные потоки. α-излучение представляет собой поток дважды ионизированных положительно заряженных атомов гелия (
) – α-частиц; β-излучение – это поток электронов. γ-излучение является очень коротковолновым (10–9–10–10 см) электромагнитным излучением большой энергии и проникающей способности, по своей физической природе не отличается от рентгеновских лучей. Потоки незаряженных частиц – нейтронов, в основном, получают искусственным путем при ядерных реакциях.
Очень широкое практическое применение получили радиоактивные изотопы, как радиоактивные индикаторы (метод меченных атомов). Добавление радиоактивного изотопа в качестве индикатора дает возможность проследить за поведением элемента в различных химических реакциях, провести его идентификацию и даже количественное определение.
Закон радиоактивного распада. Постоянная распада. Период полураспада
При радиоактивном распаде доля распавшихся в данный момент времени ядер атомов (скорость распада) прямо пропорциональна общему количеству ядер N:
. (3.1)
Коэффициент пропорциональности λ, характеризующий вероятность распада ядра, называется постоянной распада, а знак «минус» указывает на уменьшение количества нераспавшихся ядер. Это основной закон радиоактивного распада справедлив только при большом количестве ядер, а при малом их количестве наблюдаются вероятностные (статистические) колебания (флуктуации) скорости распада относительно ее среднего значения.
Рисунок 3.1 – Графическая иллюстрация закона радиоактивного распада: N 0 – количество ядер в начальный момент времени; N – количество ядер, не распавшихся через время t; T 1/2 – период полураспада
Обозначив в уравнении (3.1) количество ядер в начальный момент времени t =0 как N 0 и проинтегрировав дифференциальное уравнение, получим выражение основного закона радиоактивного распада в интегральной форме:
, (3.2)
здесь N – количество ядер атомов, нераспавшихся через промежуток времени t. Графическая иллюстрация закона радиоактивного распада показана на рис. 3.1.
Согласно уравнению (3.2), активность А препарата всегда пропорциональна числу ядер содержащихся в данный момент в препарате; отсюда следует, что
. (3.3)
При регистрации радиоактивных частиц всегда регистрируется только их часть, обусловливая активность I, которая также прямо пропорциональна активности препарата.
I = φA, (3.4)
величину φ называют коэффициентом счета.
Регистрируемая активность I также подчиняется тому же закону:
. (3.5)
Уравнения (3.2), (3.3) и (3.5) обладают той особенностью, что для них выбор начального времени не имеет никакого значения. Поэтому в качестве «нулевого времени» может быть любой произвольный момент.
Важным следствием основного закона радиоактивного распада является то, что вне зависимости от выбора начального момента половина радиоактивного препарата распадается точно за один и тот же промежуток времени. Этот промежуток времени называется периодом полураспада и обозначается T 1/2. Период полураспада в соответствии с законом распада определяется простым соотношением
,
которое легко получить, используя любое из уравнений (3.2), (3.3) или (3.5) при t = T 1/2 и N =0.5N0, A =0.5 A 0 или I =0.5 I 0.
Регистрация радиоактивных излучений
В радиометрических методах в основном, применяется два вида регистрации радиоактивного излучения – ионизационные и сцинтилляционные методы. В первой группе приборов (счетчиков) используется принцип ионизации пролетающими радиоактивными частицами (α, β, γ) газа, которым заполнен внутренний объем счетчика. К ним относятся ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера. Во всех этих счетчиках во внутреннем объеме находятся электроды, на которые подается напряжение. Образующиеся при ионизации газа-наполнителя ионы и электроны разряжаются на соответствующих электродах (катоде и аноде), обеспечивая появление в цепи ионизационного тока. Возникающий в результате ионизации ток пропорционален числу пролетевших через внутренний объем счетчика радиоактивных частиц. На этом и основана регистрация некоторой постоянной части (в пределах флуктуации) интенсивности радиоактивного излучения. Ионизационная камера применяется, в основном, для регистрации α-частиц. Кроме того импульсные ионизационные камеры позволяют получать энергетические спектры α-частиц, т.е. зависимость интенсивности излучения (активности I) α-частиц от их энергии Е.
В пропорциональных счетчиках используется постоянный рост числа электронов пропорционально первичным, появившимся при ионизации газа-наполнителя пролетающими радиоактивными частицами. Первичные электроны, ускоряясь электрическим полем, сталкиваясь с нейтральными атомами или молекулами, ионизируют их и появляются вторичные электроны и т.д. Возникает цепная лавина электронов, а их общее регистрируемое число пропорционально числу первичных ионов, образованных на пути одной радиоактивной ионизирующей частицы или фотона γ-излучения. Пропорциональные счетчики так же, как и импульсные ионизационные камеры позволяют дискриминировать (различать) излучения различной энергии не только α-частиц, но и β-частиц. Пропорциональные счетчики применяют для косвенной регистрации нейтронов. Поскольку нейтроны являются незаряженными частицами, прямыми ионизационными методами их зарегистрировать нельзя. Но их можно регистрировать, если в состав газа-наполнителя ввести фторид бора. Пролетающий через объем счетчика нейтрон взаимодействует с атомом бора по ядерной реакции:
.
По интенсивности α-излучения косвенно определяют эквивалентное нейтронное излучение.
| I |
| Е |
| Ер |
Рисунок 3.2 – Счетная характеристика счетчика Гейгера–Мюллера: I – регистрируемая радиоактивность; Е – накладываемое напряжение; Ер – рабочее напряжение счетчика
Принцип действия счетчиков Гейгера аналогичен действию ионизационных камер. Счетчики Гейгера изготавливаются различных форм и конструкций: цилиндрические, торцовые со слюдяным окошком и с радиоактивным наполнением. Бывают и «погружные счетчики» для исследования жидкостей. Все счетчики Гейгера работают при более высоких напряжениях и требуют предварительного установления рабочего напряжения (рис. 3.2).
Сцинтилляционные счетчики чаще используют при регистрации нейтральных частиц – нейтронов, которые, пролетая через объем счетчика, вызывают люминесценцию (сцинтилляцию) вещества-люминофора, содержащегося в счетчике. Интенсивность возникающей люминесценции пропорциональна интенсивности регистрируемого радиоактивного излучения под действием которого и происходит люминесценция.
Во всех электрических счетчиках (кроме сцинтилляционных) существует «мертвое время», в течение которого счетчик не реагирует на пролетающие радиоактивные частицы. Это время, в течение которого положительно заряженные ионы разряжаются на катоде.
При регистрации α-частиц предпочтение отдается ионизационным камерам и сцинтилляционным счетчикам, которые очень эффективны при регистрации γ-излучения.
В исключительных случаях для более полной, близкой к абсолютной регистрации радиоактивных частиц применяют так называемые «четырехпийные счетчики» (4π радиан) – счетчики в форме сферы (шара) с внутренней регистрирующей поверхностью.
