Бесплатные Рефераты >>> Биология, Химия  



 

 

Радиоактивный анализ

 

4

Содержание

Введение……………………………………………………………….….. 2

1. Радиоактивность……………………………………………….…... 3

Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения…… 3

Закон радиоактивного распада………………………………….... 4

2. Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности .6

Использование естественной радиоактивности в анализе………. 6

Активационный анализ…………………………………………….. 6

Метод изотропного разбавления…………………………..………7

Радиометрическое титрование…………………………………….. 7

3. Практическое использование радионуклидов…………………... 9

4. Список использованных источников…………………………….10

ВВЕДЕНИЕ

Радиоактивный анализ открыл в конце XIX столетия (в 1895 г.) немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген невидимые лучи способные беспрепятственно проходить через твёрдые тела и вызывать почернение фотоплёнки. Рентген назвал их X-лучами (теперь они называются рентгеновскими).

Самопроизвольное испускание атомами излучения получило название радиоактивности. Его открыл французский физик Антуан Анри Беккерель.

Новым явлением заинтересовались работавшие во Франции Пьер Кюри (1859-1906) и его супруга Мария Склодовская-Кюри (1867-1934), которая и ввела термин “радиоактивность”. Исследователи установили, что сильной радиоактивностью обладают присутствующие в урановой руде в очень малых концентрациях два новых химических элемента - полоний Ро (он открыт ими в июле 1898г.) и радий Ra (открыт в декабре того же года).

Достижения Беккереля и супругов Кюри были отмечены присуждением им Нобелевских премий.

Радиоактивный анализ - это физический метод анализа, который возник и развился после открытия атомной энергии и создания атомных реакторов.

Он основан на измерении радиоактивного излучения элементов. Анализ по радиоактивности был известен и ранее. Так, измеряя естественную радиоактивность урановых руд, определяли содержание в них урана. Аналогичный метод известен для определения калия по радиоактивному изотопу этого элемента. Активационный анализ отличается от этих методов тем, что в нём измеряют интенсивность излучения радиоизотопов элементов, образовавшихся вследствие бомбардировки анализируемой пробы потоком элементарных частиц. При такой бомбардировке происходят ядерные реакции и образуются радиоактивные изотопы элементов, входящих в состав анализируемой пробы.

1. Радиоактивность

1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

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

Ra > Rn + He ;

U > Th + ? (He)

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

2) ?-Распад. Различают несколько видов ?-распада: электронном ?-распаде, например,

Sn > Y + ?;

P > S + ?

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

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

Na > Ne + ?

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

3) 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.

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 ?-распад ограничивают получение новых трансурановых элементов.

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

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 39 К, на 6,729% из 41 К и на 0,0119% из 40 К (К-захват и ?-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

Скорость радиоактивного распада - пропорциональна числу имеющихся ядер N:

где ? - постоянная распада.

-lnN = ?t + const,

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

N = N0 e-?t (1)

или

A = A0e-?t (2)

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

Уравнения (1) и (2) характеризуют закон радиоактивного распада. В кинетике они известны как уравнения реакции первого порядка. В качестве характеристики скорости радиоактивного распада обычно указывают период полураспада T1/2, который так же, как и ?, 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.

2. Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности

2.1. Использование естественной радиоактивности в анализе

Элементы, имеющие естественную радиоактивность, могут быть определены по этому свойству количественно. Это U, Th, Ra, Ac и др., всего более 20 элементов. Например, калий можно определить по его радиоактивности в растворе при концентрации 0,05 М. Определение различных элементов по их радиоактивности обычно проводят с помощью градуировочного графика, показывающего зависимость активности от содержания (%) определяемого элемента или методом добавок.

Большое значение имеют радиометрические методы в поисковой работе геологов, например при разведке месторождений урана.

2.2. Активационный анализ

При облучении нейтронами, протонами и другими частицами высокой энергии многие нерадиоактивные элементы становятся радиоактивными. Активационный анализ основан на измерении этой радиоактивности. Хотя в принципе для облучения могут быть использованы любые частицы, наибольшее практическое значение имеет процесс облучения нейтронами. Применение для этой цели заряженных частиц связано с преодолением более значительных технических трудностей, чем в случае нейтронов. Основными источниками нейтронов для проведения активационного анализа являются атомный реактор и так называемые портативные источники (радиевобериллиевый и др.). В последнем случае ?-частицы, получившиеся при распаде какого-либо ?-активного элемента (Ra, Rn, и т. д.), взаимодействуют с ядрами бериллия, выделяя нейтроны:

9Be + 4He >12C + n

Нейтроны вступают в ядерную реакцию с компонентами анализируемой пробы,

например 55Mn + n = 56Mn или Mn (n,?) 56Mn

Радиоактивный 56Mn распадается с периодом полураспада 2,6 ч:

55Mn > 56Fe + e-

Для получения информации о составе образца некоторое время измеряют его радиоактивность и анализируют полученную кривую. При проведении такого анализа необходимо располагать надёжными данными о периодах полураспада различных изотопов, с тем чтобы провести расшифровку суммарной кривой.

Другим вариантом активационного анализа является метод ?-спектроскопии, основанный на измерении спектра ?-излучения образца. Энергия ?-излучения является качественной, а скорость счёта - количественной характеристикой изотопа. Измерения производят с помощью многоканальных ?-спектрометров со сцинтилляционными или полупроводниковыми счётчиками. Это значительно более быстрый и специфичный, хотя и несколько менее чувствительный метод анализа, чем радиохимический.

Важным достоинством активационного анализа является его низкий предел обнаружения. С его помощью может быть обнаружено при благоприятных условиях до 10-13 - 10-15 г вещества. В некоторых специальных случаях удавалось достигнуть ещё более низких пределов обнаружения. Например, с его помощью контролируют чистоту кремния и германия в промышленности полупроводников, обнаруживая содержание примесей до 10-8 - 10-9 %. Такие содержания никаким другим методом, кроме активационного анализа определить невозможно. При получении тяжёлых элементов периодической системы, таких, как менделевий и курчатовий, исследователям удавалось считать почти каждый атом полученного элемента.

Основным недостатком активационного анализа является громоздкость источника нейтронов, а также нередко длительность самого процесса получения результатов.

2.3 Метод изотропного разбавления

Метод изотопного разбавления целесообразно применять для количественного определения близких по свойствам компонентов трудно разделяемых смесей В этом методе необходимо выделять не всё определяемое вещество, а лишь часть его в возможно более чистом состоянии. Метод изотопного разбавления открывает новые возможности в анализе сложных смесей и элементов, близких по своим химико-аналитическим свойствам. Например, при анализе смесей цирконий - гафний или ниобий - тантал можно получить чистый осадок одного из компонентов, но осаждение не будет полным. Если добиться полного осаждения, то полученный осадок будет загрязнен элементом-аналогом. В методе изотопного разбавления проводят неполное осаждение и, используя измерения активности, находят содержание анализируемого элемента с достаточной точностью. Аналогичный приём используется также при анализе различных смесей органических веществ.

2.4 Радиометрическое титрование

При радиометрическом титровании индикатором являются радиоактивные изотопы элементов. Например, при титровании фосфата магнием в анализируемый раствор вводят небольшое количество фосфата, содержащего радиоактивный P*.

Реакции радиометрического титрования должны удовлетворять требованиям, обычно предъявляемым к реакциям титриметрического анализа (скорость и полнота протекания реакции, постоянство состава продукта реакции и т. д.). Очевидным условием применимости реакции в данном методе является также переход продукта реакции из анализируемого раствора в другую фазу, с тем, чтобы устранить помехи при определении активности раствора. Этой второй фазой часто является образующийся осадок. Известны методики, где продукт реакции экстрагируется органическим растворителем. Например, при титровании многих катионов дитизоном в качестве экстрагента применяют хлороформ или тетрахлорид углерода. Применение экстрагента позволяет более точно установить точку эквивалентности, так как в этом случае её определения можно измерять активность обеих фаз.

3. Практическое использование радионуклидов

В наши дни радионуклиды известны у большинства химических элементов. Они имеют много самых разных применений, особенно в химии и биохимии. Дело в том, что химическое поведение радионуклидов какого-либо элемента практически такое же, как и у его стабильных нуклидов. Но ядра радионуклидов в момент распада “посылают сигнал” о своём присутствии. Учёные разработали аппаратуру, позволяющую надёжно регистрировать сигналы от распада буквально единичных атомов. Благодаря этому становится возможным использовать радионуклиды в качестве атомов-меток, так называемых радиоактивных индикаторов.

Например, с помощью фосфора-32 можно установить, как кукуруза усваивает из почвы фосфорное удобрение. В удобрение добавляют очень малое количество радионуклида. Далее, анализируя радиоактивность различных частей растения, можно определить, быстро ли фосфат усваивает корни, с какой скоростью он поступает в листья, стебли или початки и как усвоение удобрения зависит от его химической формы ( в частности, от того, в виде какой именно соли - аммония, калия или кальция - взят фосфат), от способа введения в почву и других факторов. Полученная информация позволила существенно повысить эффективность применения минеральных удобрений.

Аналогичным образом на подопытных животных можно проследить действие лекарств, содержащих радиоактивные индикаторы. Использование радионуклидов позволяет наблюдать и за поведением различных микропримесей в технологических процессах.

Так как для установления природы радионуклидов достаточно буквально единичных атомов, по результатам исследования пряди волос Наполеона, сохранившейся до наших дней, удавалось выяснить, что в конце жизни его организм получал избыток мышьяка. Возможно, именно это и стало причинной болезни и смерти.

А вот чисто химическая проблема, которую помог решить радиоуглерод. При окислении пропионовой кислоты СН3СН2СООН в кислой среде образуются углекислый газ и шавелевая кислота НООС-СООН. Интересно было выяснить, какая именно из двух связей С-С в пропионовой кислоте разрушается при окислении. Для этого синтезировали пропионовую кислоту, содержащую метку 14С в карбоксильной группе. Затем провели окисление и определили активность выделившегося углекислого газа и активность шавеливой кислоты. Измерения показали, что эти значения относятся как 3:7. Следовательно, впропионовой кислоты рвутся обе связи, но с разной вероятностью.

И число подобных примеров очень велико. Однако только использованию меток углерода-14 и трития в органической химии посвящены многотомные издания.

Список использованных источников:

1. Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа. Под ред. Е. Н. Дорохова, Г. В. Прохорова, - М.: Высш. шк.., 1991. - 256с.

2. Аналитическая химия. Книга 2. Физико-химические методы анализа. Под ред. В.П. Васильева, - М.: Дрофа, 2004. - 384с.

3. Патяковский В. М. Гигиенические основы питания и экспертизы продовольственных товаров. -- Новосибирск: Издательство Новосибирского Университета, 1999. -431с.

4. Курс аналитической химии: Учеб. для с.-х. вузов. - 6-е изд., испр. и доп. - М .: Высш. шк. 1994. - 495с.

 


 

Попугаи
Попугаи Отряд попугаев включает в себя мелких и средних птиц, массой тела от 10 граммов до 1 килограмма. Попугаи — это оседлые и кочующие виды, обитающие в тропических и субтропических зонах. Птиц этого отряда легко узнать по...

Ванадий
Ванадий Ванадий (от имени древне-скандинавской богини красоты Ванадис, Vanadis; лат. Vanadium) V, хим. элемент V гр. периодической системы, ат. н. 23, ат. м. 50,9415. Прир. В. состоит из стабильного изотопа 51V (99,76%) и слабо...

Бернский зенненхунд
Бернский зенненхунд Бернский Зенненхунд - это очень умная, преданная, смелая, добродушная и уравновешенная собака. Эта порода идеальна тем, что не была выведена искусственно, путем скрещивания разных пород, поэтому...

Этногенез восточных славян
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова биологический факультет кафедра антропологии Этногенез восточных славян Москва 2002 Этногенез – момент зарождения и последующий процесс развития...

Белки в медицине
Оглавление 1. Введение стр. 2 2. Структура стр. 4 3. Свойства стр. 6 4. Роль в организме стр. 7 5. Применение в медицине стр. 13 6. Литература стр. 14 белки...

Типы растений по отношению к свету
1 Заказ от 13.01.2003 18:11 ТИПЫ РАСТЕНИЙ ПО ОТНОШЕНИЮ К СВЕТУРаздел:  Физиология растенийВид работы:  РефератыЯзык:      Русский ...

Теория равновесия Макартура—Уилсона
Теория равновесия Макартура—Уилсона Число видов в изолированной экосистеме будет постоянным, когда скорость вымирания видов будет равна скорости заселения новыми видами В природе существует немало изолированных...

Аэробное окисление углеводов. Биологическое окисление и восстановление
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Кафедра ЭТТ РЕФЕРАТ На тему: ...

Свойства и роль в биохимических процессах аминокислот, входящих в состав белковых молекул
Министерство охраны здоровья Украины Национальный фармацевтический университет Реферат по дисциплине: «Биохимия» ...

Композиционные триботехнические материалы на основе олигомеров сшивающихся смол
Дипломная работа на тему: Композиционные триботехнические материалы на основе олигомеров сшивающихся смол Выполнил Будько Юрий Анатольевич Руководитель Овчинников Е.В. Зав.кафедрой Струк В.А. Адрес:...

Цитология
ВАКУОЛИ (франц. vacuole, от лат. vacuus пустой), полости в животных и растительных клетках или одноклеточных организмах. Различают пищеварительные и сократительные (пульсирующие) вакуоли, регулирующие осмотическое давление и служащие для...