Применение радиоактивности

Содержание

 

Введение 3

1 Радиоактивность 5

1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения 5

1.2 Закон радиоактивного распада 7

1.3 Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом и счетчики

излучения 8

1.4 Классификация источников радиоактивного излучения и радиоактивных изотопов 10

2 Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности 12

2.1 Использование естественной радиоактивности в анализе 12

2.2 Активационный анализ 12

2.3 Метод изотопного разбавления 14

2.4 Радиометрическое титрование 14

3 Применение радиоактивности 18

3.1 Применение радиоактивных индикаторов в аналитической химии 18

3.2 Применение радиоактивных изотопов 22

Заключение 25

Список использованных источников 26

 

 

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:

1. метод осаждения в присутствии радиоактивного элемента;
2. метод изотопного разбавления;
3. радиометрическое титрование;
4. активационный анализ;
5. 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.

В данной курсовой работе рассмотрены  теоретические основы методов анализа, в которых используется явление радиоактивности, и их практическое применение.

 

1 Радиоактивность

1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

Радиоактивность — это самопроизвольное превращение (распад) ядра атома химического  элемента, приводящее к изменению  его атомного номера или изменению массового числа. При таком превращении ядра происходит испускание радиоактивных излучений.

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

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

1) α-Распад. Распад ядра с выделением α-частиц, которые являются ядрами He²⁺. Например,

Ra → Rn + He ;

U → Th + α (He).

 

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

2) β-Распад. Различают несколько видов β-распада: электронный β-распад; позитронный β-распад; К-захват. При электронном β-распаде, например,

 

Sn → Y + β^-;

P → S + β^-.

 

нейтрон внутри ядра превращается в протон. При испускании отрицательно заряженной β-частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется.

При позитронном  β-распаде из атомного ядра выделяется позитрон (β⁺-частица), а потом внутри ядра превращается в нейтрон. Например:

 

Na → Ne + β⁺

 

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

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

Cu →Ni+n

K + e^- = Ar + hv

 

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

3) Спонтанное деление. Оно характерно для элементов периодической системы Д. И. Менделеева с Z > 90. При спонтанном делении тяжёлые атомы делятся на осколки, которыми обычно являются элементы середины таблицы Л. И. Менделеева. Спонтанное деление и α-распад ограничивают получение новых трансурановых элементов.

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

В результате радиоактивного распада получаются элементы, которые по заряду ядер (порядковому номеру) должны быть помещены в уже занятые клетки периодической системы элементами с таким же порядковым номером, но другой атомной массой. Это так называемые изотопы. По химическим свойствам их принято считать неразличимыми, поэтому смесь изотопов обычно рассматривается как один элемент. Неизменность изотопного состава в подавляющем большинстве химических реакций иногда называют законом постоянства изотопного состава. Например, калий в природных соединениях представляет собой смесь изотопов, на 93,259% из ³⁹К, на 6,729% из ⁴¹К и на 0,0119% из ⁴⁰К (К-захват и β-распад). Кальций насчитывает шесть стабильных изотопов с массовыми числами 40, 42, 43, 44, 46 и 48. В химико-аналитических и очень многих других реакциях это соотношение сохраняется практически неизменным, поэтому для разделения изотопов химической реакции обычно не применяются. Чаще всего для этой цели используются различные физические процессы – диффузия, дистилляция или электролиз.

Единицей  активности изотопа является беккерель (Бк), равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1с происходит один акт распада.

1.2 Закон радиоактивного распада

 

Радиоактивность, наблюдаемая у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной, радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных  реакций, называется искусственной.

Между искусственной  и естественной радиоактивностью нет  принципиального различия. Процесс  радиоактивного превращения в обоих  случаях подчиняется одинаковым законам — закону радиоактивного превращения:

,

(1.1)

где N₀ — количество ядер в начальный момент;

N — количество нераспавшихся атомов в момент времени t;

X — константа, характерная для радиоактивного вещества, называемая постоянной распада.

Скорость радиоактивного распада пропорциональна числу имеющихся ядер , где λ – постоянная распада:

(1.2)

Если t = 0, то и, следовательно, const = -lg N₀ . Окончательно

 

	(1.3)
или
,	(1.4)

где А – активность в момент времени t; А₀ – активность при t = 0.

Уравнения (1.3) и (1.4) характеризуют закон радиоактивного распада. В кинетике они известны как уравнения реакции первого порядка. В качестве характеристики скорости радиоактивного распада обычно указывают период полураспада T_1/2, который так же, как и λ, является фундаментальной характеристикой процесса, не зависящей от количества вещества.

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

Период  полураспада различных изотопов существенно различен. Он находится 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. 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 соединений – аминокислот, кислот, спиртов, эфиров и т.д. Интенсивное радиоактивное излучение вызывает свечение стеклянных трубок и ряд других эффектов в твердых телах. На изучении взаимодействия радиоактивного излучения с веществом основаны различные способы обнаружения и измерения радиоактивности.

В зависимости  от принципа действия счетчики радиоактивных  излучений подразделяют на несколько групп.

Ионизационные счетчики. Их действие основано на возникновении ионизации или газового разряда, вызванного ионизацией при попадании в счетчик радиоактивных частиц или γ-квантов. Среди десятков приборов, использующих ионизацию, типичными являются ионизационная камера и счетчик Гейгера – Мюллера, который получил наибольшее распространение в химико-аналитических и радиохимических лабораториях.

Для радиохимических  и других лабораторий промышленностью  выпускаются специальные счетные  установки.

Сцинтилляционные счетчики. Действие этих счетчиков основано на возбуждении атомов сцинтиллятора γ-квантами или радиоактивной частицей, проходящей через счетчик. Возбужденные атомы, переходя в нормальное состояние, дают вспышку света.

В начальный  период изучения ядерных процессов  визуальный счет сцинтилляции сыграл большую роль, однако в дальнейшем он был вытеснен более совершенным счетчиком Гейгера – Мюллера. В настоящее время сцинтилляционный метод вновь стал широко применяться уже с использованием фотоумножителя.

Черенковские счетчики. Действие этих счетчиков основано на использовании эффекта Черенкова, который состоит в излучении света при движении заряженной частицы в прозрачном веществе, если скорость частиц превышает скорость света в данной среде. Факт сверхсветовой скорости частицы в данной среде, конечно, не противоречит теории относительности, поскольку скорость света в какой-либо среде всегда меньше, чем в вакууме. Скорость движения частицы в веществе может быть больше скорости света в этом веществе, оставаясь в то же время меньше скорости света в вакууме в полном соответствии с теорией относительности. Счетчики Черенкова применяются для исследовательских работ с очень быстрыми частицами, для исследований в космосе и т.д., поскольку с их помощью может быть определен ряд других важных характеристик частиц (их энергия, направление движения и др.).

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.