Радиоаналитическая химия фокусируется на анализе проб на содержание радионуклидов . Для очистки и идентификации интересующего радиоэлемента с помощью химических методов и методов измерения проб используются различные методы.
История
Область радиоаналитической химии была первоначально разработана Мари Кюри при участии Эрнеста Резерфорда и Фредерика Содди . Они разработали методы химического разделения и радиационного измерения наземных радиоактивных веществ. В течение двадцати лет, последовавших за 1897 годом, родились концепции радионуклидов. [1] Со времен Кюри применение радиоаналитической химии получило широкое распространение. Современные достижения в области ядерных и радиохимических исследований позволили практикам применять химию и ядерные процедуры для выяснения ядерных свойств и реакций, использовать радиоактивные вещества в качестве индикаторов и измерять радионуклиды во многих различных типах образцов. [2]
Значение радиоаналитической химии охватывает многие области, включая химию , физику , медицину , фармакологию , биологию , экологию , гидрологию , геологию , судебную экспертизу , атмосферные науки , охрану здоровья, археологию и инженерию . Применения включают: формирование и определение характеристик новых элементов, определение возраста материалов и создание радиоактивных реагентов для использования конкретных индикаторов в тканях и органах. Постоянной целью радиоаналитических исследователей является получение большего количества радионуклидов и снижение их концентраций в людях и окружающей среде.
Режимы радиационного распада
Распад альфа-частицы
Альфа-распад характеризуется испусканием альфа-частицы, ядра 4 He. Режим этого распада заставляет родительское ядро уменьшаться на два протона и два нейтрона. Этот тип распада подчиняется соотношению:
Распад бета-частиц
Бета-распад характеризуется испусканием нейтрино и негатрона, эквивалентного электрону . Этот процесс происходит, когда ядро имеет избыток нейтронов по отношению к протонам по сравнению со стабильной изобарой . Этот тип перехода превращает нейтрон в протон; аналогично позитрон высвобождается, когда протон превращается в нейтрон. Эти распады подчиняются соотношению:
Гамма-распад
Гамма- излучение следует ранее обсуждавшимся режимам распада, когда при распаде дочернее ядро остается в возбужденном состоянии. Это ядро способно к дальнейшему девозбуждению до состояния с более низкой энергией за счет высвобождения фотона. Этот распад следует соотношению:
Принципы обнаружения радиации
Детекторы ионизации газа
Детекторы газовой ионизации собирают и регистрируют электроны, освобожденные от атомов и молекул газа в результате взаимодействия с излучением, испускаемым источником. Между двумя электродами в герметичной системе прикладывается потенциал напряжения . Поскольку газовые атомы ионизируются после взаимодействия с излучением, они притягиваются к аноду, который производит сигнал. Важно изменять приложенное напряжение так, чтобы отклик находился в критическом диапазоне пропорциональности.
Твердотельные детекторы
Принцип работы полупроводниковых детекторов аналогичен газовым детекторам ионизации: за исключением того, что вместо ионизации атомов газа образуются свободные электроны и дырки, которые создают сигнал на электродах. Преимущество твердотельных детекторов - большее разрешение получаемого энергетического спектра. Обычно используются детекторы NaI (Tl); для более точных применений были разработаны детекторы на основе Ge (Li) и Si (Li). Для сверхчувствительных измерений используются детекторы из высокочистого германия в среде жидкого азота. [6]
Сцинтилляционные детекторы
В сцинтилляционных детекторах используется фотолюминесцентный источник (например, ZnS), который взаимодействует с излучением. Когда радиоактивная частица распадается и ударяется о фотолюминесцентный материал, высвобождается фотон. Этот фотон умножается в фотоумножителе, который преобразует свет в электрический сигнал. Затем этот сигнал обрабатывается и преобразуется в канал. Сравнивая количество отсчетов с уровнем энергии (обычно в кэВ или МэВ), можно определить тип распада.
Методы химического разделения
Поскольку радиоактивные нуклеотиды обладают свойствами, аналогичными их стабильным, неактивным аналогам, можно использовать аналогичные методы аналитического химического разделения. Эти методы разделения включают осаждение , ионный обмен , жидкостно-жидкостную экстракцию, твердофазную экстракцию, дистилляцию и электроосаждение .
Принципы радиоаналитической химии
Потеря образца радиоколлоидным поведением
Образцы с очень низкими концентрациями трудно точно измерить из-за неожиданного осаждения радиоактивных атомов на поверхности. Потеря образца на следовых уровнях может быть связана с прилипанием к стенкам контейнера и участкам поверхности фильтра в результате ионной или электростатической адсорбции, а также к металлической фольге и стеклянным предметным стеклам. Потеря пробы является постоянной проблемой, особенно в начале пути анализа, где последовательные шаги могут усугубить эти потери.
Известны различные решения, позволяющие избежать этих потерь, в том числе добавление неактивного носителя или добавление индикатора. Исследования также показали, что предварительная обработка стеклянной посуды и пластиковых поверхностей может снизить сорбцию радионуклидов за счет насыщения участков. [7]
Добавление носителя или трассера
Поскольку обычно анализируются небольшие количества радионуклидов, механика манипулирования небольшими количествами является сложной задачей. Эта проблема обычно решается с помощью ионов- носителей . Таким образом, добавление носителя включает добавление стабильного иона известной массы к раствору пробы, содержащему радионуклиды. Носитель состоит из того же элемента, но не радиоактивен. Носитель и интересующий радионуклид имеют идентичные химические свойства. Обычно количество добавляемого носителя обычно выбирается для простоты взвешивания, так что точность результирующего веса находится в пределах 1%. Для альфа-частиц необходимо применять специальные методы для получения требуемых источников тонких проб. Использование носителей активно использовалось Марией Кюри и использовалось при первой демонстрации ядерного деления . [8]
Разбавление изотопов происходит в обратном порядке по сравнению с добавлением индикатора. Он включает добавление известного (небольшого) количества радионуклида в пробу, которая содержит известный стабильный элемент. Эта добавка является «трассером». Он добавляется в начале процедуры анализа. После регистрации окончательных измерений потерю образца можно определить количественно. Эта процедура позволяет избежать количественного извлечения, что значительно упрощает аналитический процесс.
Типичные интересующие радионуклиды
Элемент | Масса | Период полураспада (лет) | Типичный источник |
---|---|---|---|
Гелий | 3 | - стабильный - | Образцы воздуха, воды и биоты для биотестов |
Углерод | 14 | 5730 | Радиоуглеродное датирование органического вещества, воды |
Утюг | 55 | 2,7 | Производится в чугунных и стальных корпусах, сосудах или опорах для ядерного оружия и реакторов. |
Стронций | 90 | 28,8 | Обычный продукт деления |
Технеций | 99 | 214 000 | Обычный продукт деления |
Йод | 129 | 15,7 миллиона | Индикатор грунтовых вод |
Цезий | 137 | 30,2 | Ядерное оружие и ядерные реакторы (аварии) |
Прометий | 147 | 2,62 | Естественный продукт деления |
Радон | 226 | 1,600 | Дождь и грунтовые воды, атмосфера |
Уран | 232, 233, 234, 235, 236, 238 | Варьируется | Земной элемент |
Плутоний | 238, 239, 240, 241, 242 | Варьируется | Ядерное оружие и реакторы |
Америций | 241 | 433 | Результат взаимодействия нейтронов с ураном и плутонием. |
Гарантия качества
Поскольку это метод аналитической химии , контроль качества является важным фактором, который необходимо поддерживать. Лаборатория должна производить надежные результаты. Это может быть достигнуто за счет постоянных усилий лабораторий по поддержанию калибровки прибора , воспроизводимости измерений и применимости аналитических методов. [9] Во всех лабораториях должен быть план обеспечения качества. Этот план описывает систему качества и действующие процедуры для получения согласованных результатов. Такие результаты должны быть достоверными, надлежащим образом задокументированными и технически обоснованными » [10]. Такие элементы обеспечения качества включают организацию, обучение персонала, рабочие процедуры лаборатории, закупочную документацию, записи цепочки поставок, стандартные сертификаты, аналитические записи, стандартные процедуры, контроль качества. программа и результаты анализа образцов, отчеты о тестировании и обслуживании приборов, результаты демонстрационных проектов производительности, результаты оценки данных, аудиторские отчеты и политика хранения записей.
Стоимость обеспечения качества постоянно растет, но преимущества намного перевешивают эту стоимость. Средняя нагрузка по обеспечению качества была увеличена с 10% до 20-30% в настоящее время. Такое повышенное внимание к обеспечению качества обеспечивает надежные измерения качества. Цена отказа намного превышает затраты на профилактику и оценку. Наконец, результаты должны быть научно обоснованными путем соблюдения строгих правил в случае судебного процесса.
Рекомендации
- ^ Эманн, WD, Вэнс, DE Радиохимия и ядерные методы анализа , 1991, 1-20
- ^ Крейн, К.С. Введение в ядерную физику , 1988, John Wiley & Sons, 3-4.
- ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2009-08-06 . Проверено 11 июля 2009 . CS1 maint: не рекомендуется параметр ( ссылка ) CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ «ChemTeam: написание альфа- и бета-уравнений» . Chemteam.info .
- Перейти ↑ Loveland, W., Morrissey, DJ, Seaborg, GT, Modern Nuclear Chemistry , 2006, John Wiley & Sons, 221.
- ^ Эманн, У.Д., Вэнс, Д.Е. Радиохимия и ядерные методы анализа , 1991, 220-236.
- ^ Ихс, RE, Разделение, концентрация и загрязнение в анализе следов , 1957, John Wiley, 637-666.
- ^ О. Хан и Ф. Штрассманн (1939). "Uber den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle (" Об обнаружении и характеристиках щелочноземельных металлов, образующихся при облучении урана нейтронами ")". Naturwissenschaften . 27 (1): 11–15. Bibcode : 1939NW ..... 27 ... 11H . DOI : 10.1007 / BF01488241 . S2CID 5920336 ..
- ^ Хан, Б. Радиоаналитическая химия , 2007, Springer, 220-243.
- ^ EPA. Отчет Агентства по охране окружающей среды США 402-R-97-016 , 2000, QA / G-4
дальнейшее чтение
- Химический анализ ядерными методами , З. Б. Альфасси.
- Радиоаналитическая химия J. Tölgyessy и M. Kyrš.
- Ядерная аналитическая химия J. Tölgyessy, Š. Варга и В. Кривань. Английский перевод: П. Ткач.