Активационный анализ

Метод определения состава вещества, основанный на активации атомных ядер и исследовании радиоактивного излучения, возникающего вследствие изменения нуклонного состава или энергетического состояния ядер. Активационный анализ - наиболее распространенный ядерно-физический метод определения состава вещества. Впервые предложен Д.Хевеши (G.Hevesy) и Г.Леви (Levi) (1936). Образец облучается потоком частиц или гамма-квантов (активация). В результате ядерных реакций часть ядер превращается в радиоактивные или возбужденные. Идентификация элементов и количественный анализ производятся путем измерения интенсивности и энергии излучений, а также по периоду полураспада радиоактивных ядер. Т. к. в основе активационного анализа лежат ядерные процессы, то результаты активационного анализа не зависят от того, в какое химическое соединение входят атомы определяемых элементов, но чувствительны к изменению изотопного состава элементов.

Количественное определение состава вещества при активационном анализе основано на том, что при соблюдении некоторых условий активность образовавшегося радионуклида (аналитического изотопа) пропорциональна количеству ядер исходного нуклида определяемого элемента. При постоянной плотности потока Ф активирующего излучения и пренебрежимо малом уменьшении числа n ядер определяемого элемента за время облучения активность А радионуклида в момент t после конца облучения равна:

,

(1)

где - сечение реакции, используемой для образования аналитического изотопа, - доля исходного изотопа в естественной смеси изотопов, - постоянная распада аналитического изотопа, t_обл - время облучения образца. Отсюда масса анализируемого элемента:

,

(2)

где M - атомная масса элемента, N_А - число Авогадро.

Точность анализов, основанных на (2), составляет 20-50%. Более распространенным является относительный метод измерений, при котором активность образца А_х сравнивается с активностью эталона A_Э, содержащего известное количество определяемого элемента и облученного в идентичных условиях с образцом. Искомая величина m_х находится (точность 1-10%) из соотношения

.

(3)

Активационный анализ подразделяется по виду активирующего излучения на нейтронно-активационный анализ, гамма-активационный анализ, анализ на заряженных частицах (протонах, дейтронах, альфа-частицах и тяжелых ионах). Наиболее распространены первые два метода. Активационный анализ на заряженных частицах, в связи с их малыми пробегами в веществе, используется главным образом для анализа тонких слоев и при изучении поверхностных явлений (адсорбции и др.).

Широкое распространение нейтронно-активационного анализа обусловлено его высокой чувствительностью, связанной с большим сечением реакции захвата ядрами тепловых нейтронов и наличием мощных источников нейтронов (ядерные реакторы, ускорители и др.). Чувствительность (предел обнаружения) большинства элементов при использовании нейтронных потоков ¹³ см^-2с^-1 составляет 10^-5-10^-10%. Предел обнаружения ^-4-10^-6%, достаточный для решения многих задач, может быть получен при использовании ампульных нейтронных источников (калифорниевого, сурьмяно-бериллиевого). Анализ легких элементов, плохо активирующихся тепловыми нейтронами (С, N, О), производится с помощью быстрых нейтронов, получаемых на ускорителях и нейтронных генераторах, а также гамма-излучения.

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 %.

Различают так называемый инструментальный активационный анализ, состоящий в измерении активности облученного образца (без его разрушения) методами ядерной спектрометрии, и более точный активационный анализ с использованием химических реакций для отделения аналитических изотопов от других ядер, активность которых препятствует измерениям. Измерение активности производится с помощью детекторов частиц. Наилучшие результаты дают гамма-спектрометры высокого разрешения с использованием полупроводниковых детекторов, обладающих энергетическим разрешением до нескольких десятых долей кэВ (рис.). Для анализа полученных спектров и обработки результатов измерений применяются многоканальные анализаторы, микропроцессоры, ЭВМ, позволяющие в совокупности с автоматической системой перемещения образцов полностью автоматизировать процесс (см. Автоматизация эксперимента, Ядерная электроника).

Главные достоинства активационного анализа: возможность определения малых содержаний элементов в различных объектах и проведение массовых экспрессных анализов образцов. Активационный анализ применяется для определения примесей в сверхчистых материалах (в реакторостроении и электронной промышленности), содержания микроэлементов в биологических объектах при экологических и медицинских исследованиях, а также в археологии и криминалистике. Активационный анализ успешно используется также при поиске полезных ископаемых, для контроля технологических процессов и качества выпускаемой продукции.