Современные методы исследований качества сырья

     При одинаковой величине поглощенной дозы рентгеновские лучи и электронное излучение вызывают наименьшие повреждения по сравнению излучением тяжелых ионов. Нейтронное излучение занимает промежуточное положение.

     α-распад 

     Характерен  для атомов тяжелых элементов. α-частица представляет собой ядро атома , поэтому при испускании α-частицы образуется ядро с зарядом z на 2 единицы меньше и массой А на 4 единицы меньше, чем у исходного радиоактивного изотопа.

     α-частицы радиоактивных элементов имеют большую энергию достигающую 9 МэВ (эрго). Спектр α-частиц состоит из нескольких групп, каждая из которых включает α-частицы определенной энергии.

     Наличие α-частиц различных энергий при распаде одного и того же изотопа указывает на то, что α-распад сопровождается γ-излучением.                    α-частицы образующиеся при распаде вступают во взаимодействие с веществом среды. Это взаимодействие сопровождается рассеиванием энергии α-частиц и превращения их в атомы Не. При этом энергия расходуется главным образом на взаимодействие с электронами атомов и молекул среды, что приводит к их ионизации и возбуждению. Проникающая способность α-частиц мала. Они поглощаются листом бумаги, тканью одежды. Средний пробег не превышают 10 см. 

     β-превращения 

     Включает 3 вида распада:

     1) Испускание электронов β^-;

     2) Испускание позитронов β⁺;

     3) Электронный захват.

     Испускание  электронов – это распад, характерный  для ядер, имеющих относительный избыток нейтронов. При этом один из нейтронов распадается, дает протон, электрон и антинейтрин.

     Этот  процесс сопровождается образованием ядра нового элемента, находящегося на клеточку правее ПС Менделеева. Как  и α-частицы,                       β^--частицы расходуют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов и молекул вещества среды. При замедлении в поле ядер β^--частицы могут терять часть своей энергии. В силу меньшего заряда и незначительной массы удельная ионизационная способность β^--частицы примерно в тысячу раз меньше, чем у α-частицы, а проникающая способность больше. Так, например, максимальный пробег для жесткого β^--излучателя составляет примерно 9 м в воздухе, 0,4 см в алюминии, 1 см в биологической ткани. При испускании отрицательно заряженной β^--частицы порядковый номер элемента возрастает на 1, а атомная масса практически не меняется.

     При позитронном β⁺-распаде из атомного ядра выделяется позитрон                   β⁺-частица. А протон внутри ядра превращается в нейтрон. Продолжительность жизни позитрона невелика, т.к. при столкновении его с электроном происходит испускание γ-кванта.

     При электронном захвате (К) ядро атома  захватывает электрон из близлежащей  оболочки (К-оболочки), и один из протонов ядра превращается в нейтрон. На свободное место в К-оболочке переходит один из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием жесткого рентгеновского излучения. 

     γ-излучение 

     Оно может сопровождать различные виды распада, а при изомерном переходе будет единственным видом излучения. Ядро одного и того же элемента может существовать и в основном и в возбужденном (метастабильном) состоянии.

     Ядра, находящиеся в возбужденном состоянии  называют изомерными и обозначаются m, поставленные после массового числа. Переход ядра с возбужденного уровня на основной называют изомерным переходом, который сопровождается испусканием γ-кванта или фотона.

      ^{80 m}Вr = γ-квант        ²⁰Вr,

     В отличии от α, β^- и β⁺ частиц, которые непосредственно ионизируют вещество среды γ-кванты вызывают ионизацию в веществе за счет вторичных электронов, образующихся в результате первичных взаимодействий γ-квантов с веществом среды. К таким взаимодействиям (процессам) относят фотоэффект, комптоновское рассеивание с образованием пар электрон-позитрон.

     Фотоэффект заключается в том, что γ-квант взаимодействуя с атомами или молекулой выбивает из них электрон. При этом γ-квант полностью поглощается, а вся его энергия передается электрону (фотоэлектрон).

     В процессе комптоновского рассеивания γ-квант передает лишь часть своей энергии , а вместо первичного γ-кванта появляется рассеянный с меньшей энергией.

     При энергии в γ-квантах более 1,02 МэВ (эрго) взаимодействие с силовым полем ядер может привести к образованием пары электрон-позитрон с полным поглощением γ-кванта.

     Позитроны замедляются веществом и могут  взаимодействовать с электронами  среды, давая аннигиляционное излучение. Относительный вклад каждого  из трех процессов в ослаблении γ-излучения зависит от энергии фотона и порядкового номера вещества-поглотителя. По мере увеличения энергии γ-квантов резко уменьшается вероятность комптоновского рассеивания, а вероятность эффекта образования пар возрастает с увеличением энергии фотонов, начиная с энергии равной             1,02 МэВ.

     В результате взаимодействия радиоактивного излучения с веществом происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул вещества, через которое оно происходит. Излучение производит также световое, фотографическое, химическое и биологическое действия.

     Образующиеся  при протекании этих процессов радикалы Н^· и ОН^· обладают сильным физиологическим воздействием. При больших дозах они являются причиной лучевой болезни, малокровия, т.к. они энергично взаимодействуют с ферментами и составными частями крови.

     Радиоактивное излучение вызывает большое число химических реакций в газах, растворах, твердых веществах. Их объединяют в группу радиационно-химических реакций.

     Радиоактивное излучение вызывает разнообразные радиоактивные превращения различных соединений.

     Интенсивное радиоактивное излучение вызывает свечение стеклянных трубок и ряд других эффектов в твердых телах. На взаимодействии радиоактивных изменений с веществом основаны различные способы обнаружения и измерения радиоактивности. 

     Детекторы радиоактивности 

     В зависимости от принципа действия детекторы (счетчики) радиоактивных излучений делят на несколько групп:

     1. Ионизационные детекторы. Их действие основано на возникновении ионизации или газового разряда, вызванного ионизацией при попадании в детектор радиоактивных частиц или γ-квантов. Наиболее типичными являются ионизационная камера и счетчик Гейгера-Мюллера.

     2. Сцинтилляционные детекторы. Действие их основано на возбуждении атомов γ-квантами или радиоактивной частицей, проходящей через счетчик. Возбужденные атомы, переходя в нормальное состояние дают вспышку света.

     3. Черенковские детекторы. Действие этих детекторов основано на использовании эффекта Черенкова, который заключается в излучении света при движении заряженной частицы в прозрачном веществе, если скорость частицы превышает скорость света в данной среде.

     Т.к. в природе существует радиоактивный  фон, любой детектор будет давать некоторый сигнал даже в отсутствии радиоактивного образца. Фон обусловлен естественной радиоактивностью окружающей среды и космическими лучами. Фоновый уровень снижают, защитив детектор свинцовым экраном в 5-10 см. При проведении количественных измерений необходимо вводить поправку на фоновую радиацию. Все методы анализа с использованием радионуклидов условно делят на 2 группы:

     1. Радиометрические методы, в которых качественное и количественное определение элементов проводится только на основе измерения радиоактивности без химических операций.

     2. Радиохимические методы, в которых перед измерением радиоактивности проводится выделение, концентрирование, разделение изотопов или другие химические операции. 

     Рентгеноспектральный  анализ 

     При попадании на «мишень» пучка ускоренных электронов, основная их масса замедляется  за счет многократного взаимодействия с электронами «мишени». Энергия  поглощаемая электронами превращается в энергию рентгеновского излучения с непрерывным спектром, которая называется тормозным излучением.

     Непрерывный спектр рентгеновского излучения имеет  четкую нижнюю границу длин волн (или  максимальную частоту), соответствующую максимальной энергии электрона. Эта граничная длина волн в нм определяется соотношением:

     

;

     где h - постоянная Планка;

           с - скорость распространения  электронного излучения в вакууме;

           е - заряд электронов;

           V - ускоряющий потенциал рентгеновской трубки в Вольтах.

     По  мере увеличения ускоряющего потенциала, энергия данной величины становится достаточной для полного выбывания  орбитального электрона из атома  мишени. Тогда на вакантный уровень  переходит другой электрон и испускается фотон рентгеновского излучения с длиной волны, определяемой разностью энергий соответствующих уровней данного элемента. Ускоренные электроны более высоких энергий воздействуют, главным образом, на ближайшие к ядру электроны. Состояние электронов внутренних оболочек не зависит от химического состояния атома, за исключением атомов легких элементов. Поэтому характеристики рентгеновского излучения фактически не зависят от химического или физического состояния атомов. Длины волн, соответствующие таким высоким энергиям, малы и составляют от 1 до 1000 пм (пикометров 10^-12).

     Для исследовательских работ исследуют  диапазон длин волн от 70 до 200 пм. Использование  рентгеновского излучения дает важную информацию, используемую для аналитических  целей:

     1. Поглощение рентгеновских лучей дает информацию о поглощающем материале, так же как и в других спектральных методах.

     2. Дифракции рентгеновских лучей  позволяют идентифицировать кристаллические  вещества с высокой степенью  избирательности и точности.

     3. Измерение длин волн или энергий дает возможность определить различные элементы в возбужденном образце.

     4. Измерение излучаемой мощности  при некоторых длинах волн  используется для количественного  определения состава проб.

     Характер  рентгеновских спектров, полос поглощения, интенсивность вторичного излучения тесно связано со строением атомов, типами электронных оболочек, расположением атомов кристаллической решетки. Поэтому рентгено-спектральный метод применяют при анализе любых материалов, минералов (на все элементы периодической системы начиная с магния), при исследовании тонкой структуры неорганических соединений металлов и сплавов.

     Частота рентгеновского вторичного излучения  зависит от номера элемента; интенсивность - от количества. Эти зависимости  обуславливают высокую избирательность и чувствительность рентгено-спектрального анализа.

     Рентгеновские спектрометры состоят из источника  рентгеновского излучения (рентгеновская  трубка или радиоактивный изотоп), поступающего на образец, рентгеновского монохроматора, обеспечивающего разложение рентгеновского излучения в спектре, детектора излучения, регистрирующего и вычислительного устройства. 

     Разновидности рентгеноспектрального анализа 

1. Рентгеновская абсорбционная спектроскопия.

     Использование рентгеновского поглощения в аналитических целях эффективно в тех случаях, когда в матрице из легких атомов содержится только один определяемый элемент большой атомной массы. Этим способом определяют наличие свинца в бензине, хлора в органических соединениях, урана в растворах его солей. Датчики на рентгеновском и γ-излучении используют для контроля толщины пищевой алюминиевой фольги в процессе прокатки. 

2. Дифракция рентгеновских лучей.

     Представляет  интерес для изучения тех кристаллических  веществ, в которых возможна дифракция. Не существует двух химических веществ, которые имели бы кристаллы с совершенно одинаковым расположением плоскостей во всех направлениях, так что полное изучение образца при различной ориентации на пути рентгеновских лучей должно давать однозначный результат для каждого вещества. Метод основан на дифракции (расслоении) рентгеновских лучей при прохождении их через вещество.