Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Радіометричні методи аналізу
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2004
Тип роботи:
Методичні вказівки
Предмет:
Аналітична хімія
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
національний університет "Львівська політехніка"
радіометричні методи аналізу
Методичні вказівки
до лабораторних робіт
з курсу “Аналітична хімія” (фізико-хімічні методи аналізу)
для студентів хімічних спеціальностей
Затверджено
на засіданні кафедри
аналітичної хімії
Протокол № 5 від 14 січня 2004 р.
Львів – 2004
Радіометричні методи аналізу: Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу “Аналітична хімія” (фізико-хімічні методи аналізу) для студентів хімічних спеціальностей / Укл.: Й.Й. Ятчишин, І.П.Полюжин, Г.О. Маршалок, П.Й. Шаповал, Ф.І. Цюпко - Львів: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2004. - 20 с.
Укладачі Ятчишин Й.Й., д-р хім. наук, проф.
Полюжин І.П., канд. техн. наук, доц.
Маршалок Г.О., канд. хім. наук, доц.
Шаповал П.Й., канд. хім. наук, ас.
Цюпко Ф.І., канд. техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск Ларук М.М., канд. техн. наук, доц.
Рецензенти: Никипанчук М.М., д.х.н., проф.
Максимович І.Є., к.т.н., доц.
ЗМІСТ
стор.
1. основні поняття і теоретичні основи методів
Радіометричні методи аналізу грунтуються на вимірюванні інтенсивності радіоактивного випромінювання (аналітичний сигнал), яке виникає при самочинному розпаді ядер радіоактивних ізотопів (радіонуклідів).
Радіонукліди — це сукупність атомів з однаковим зарядом ядра Z (кількість протонів у ядрі) і з різним масовим числом А (кількість протонів та нейтронів), які здатні самочинно розпадатись із виділенням ядерної енерґії у вигляді радіоактивного випромінювання.
Радіонукліди характеризуються нестійкою конфіґурацією ядерних систем, внаслідок чого в ядрах радіонуклідів відбуваються самочинні перетворення, які призводять до вивільнення надлишкової енерґії у вигляді радіоактивного випромінювання і переходу ядер із нестійкого у стабільний стан.
Радіоактивне випромінювання — це потоки -, - частинок та -квантів, які мають високу енергію (0,01-10 МеВ).
На даний час нараховується близько 2000 радіоактивних ізотопів з яких лише біля 300 зустрічаються в природі. До радіоактивних ізотопів, що зустрічаються в природі, належать сімейства урану-радію, актиноурану, торію і окремі ізотопи, що не мають генетичного зв’язку між собою, наприклад, ізотопи калію, рубідію, індію, олова, лантану, самарію, лютецію, ренію. Основна маса радіоактивних ізотопів отримана штучно в ядерних реакторах і прискорювальних установках в результаті взаємодії іонізуючих випромінювань з зі стабільними і радіоактивними ізотопами. Так, наприклад, сімейство нептунію має штучне походження.
Основні типи радіоактивного розпаду:
-розпад – EMBED Equation.3 X EMBED Equation.3 α + EMBED Equation.3 Y, наприклад, EMBED Equation.3 Th EMBED Equation.3 α + EMBED Equation.3 Ra.
--розпад – EMBED Equation.3 X β– + EMBED Equation.3 Y + ν, наприклад, EMBED Equation.3 K β– + EMBED Equation.3 Ca + ν
+-розпад – EMBED Equation.3 X β+ + EMBED Equation.3 Y + ν, наприклад, EMBED Equation.3 Na β+ + EMBED Equation.3 Ne + ν
ізомерний перехід – EMBED Equation.3 X EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 X + γ, наприклад, EMBED Equation.3 Hg EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 Hg + γ
електронне захоплення – EMBED Equation.3 X + е– → EMBED Equation.3 Y + hν, наприклад, EMBED Equation.3 К + е– → EMBED Equation.3 Ar + hν
спонтанний поділ – EMBED Equation.3 X EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 C + EMBED Equation.3 D + (13) EMBED Equation.3 n, наприклад,
EMBED Equation.3 U EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 Ba + EMBED Equation.3 Kr + 2 EMBED Equation.3 n.
Радіоактивні ізотопи певного елемента мають однаковий заряд ядра і для ідентифікації радіонуклідів у якісному аналізі використовуються такі характеристики, як масове число, тип розпаду та енергія радіоактивного випромінювання (Е, МеВ), а також період піврозпаду (Т½).
В кількісному аналізі використовується залежність (1) швидкості радіоактивного розпаду ізотопа від кількості атомів радіонукліду (N):
EMBED Equation.3 , (1)
де dN – число радіоактивних ядер, що розпадається за проміжок часу dt, який є мізерно малим порівняно з періодом піврозпаду Т½, тобто часом, за який розпадається половина атомів певного радіонукліду; λ – стала радіоактивного розпаду.
EMBED Equation.3 ; (2)
Згідно основному закону радіоактивного розпаду (1) число ядер ізотопу (dN), що розпадається за безмежно малий проміжок часу (dt), пропорційне числу ядер (N), які наявні в даний момент часу.
Шляхом інтегрування рівняння (1) в межах t = 0…t можна отримати інтегральну форму кінетичного закону радіоактивного розпаду:
EMBED Equation.3 , (3)
де N0 – число радіоактивних атомів в початковий момент часу (t = 0);
Nt – число радіоактивних атомів, що залишилися на момент часу t;
е – основа натурального логарифму.
З рівняння (3) виводиться рівняння, яке встановлює залежність між швидкістю радіоактивного розпаду (а), початковою кількістю радіоактивних атомів (N0), сталою радіоактивного розпаду (λ) і тривалістю вимірювання (t):
EMBED Equation.3 . (4)
Швидкість розпаду (а) називають абсолютною радіоактивністю чи просто активністю. В системі СІ за одиницю активності прийнято “Бекерель” [Бк], яка відповідає одному акту розпаду за секунду (Бк = 1/с). Часто використовують позасистемну одиницю активності – “Кюрі” [Кі] чи частки Кюрі [мКі, мкКі]. Активність 1 Кі має джерело, в якому відбувається 3,7ּ1010 розпадів за секунду. Швидкість радіоактивного розпаду, приведена до одиниці маси (мг, г, кг) чи одиниці об’єму (мл, л, м3) називається питомою активністю. Абсолютна активність є прямопропорційною до відносної активності (І), яка вимірюється приладами, як кількість імпульсів електричного струму за одиницю часу [імп/с, імп/хв]. Зменшення активності в часі також підпорядковується закону радіоактивного розпаду:
EMBED Equation.3 , (5)
де а0 – початкова активність;
аt – активність через проміжок часу t;
е – основа натурального логарифму.
З рівняння (1) виводиться важлива залежність, яка встановлює зв’язок між активністю і масою індивідуального радіоактивного ізотопу:
EMBED Equation.3 чи EMBED Equation.3 , (6)
де а – активність, розп/с;
m – маса індивідуального радіоактивного ізотопу, г;
4,17ּ1023 – коефіцієнт;
Т½ - період піврозпаду, с;
Аm – атомна маса радіоактивного ізотопа.
Якщо є ланцюжок ізотопів, що послідовно розпадаються, то при встановленій рівновазі (тобто, по закінченні часу, рівного 10 періодам піврозпаду дочірнього ізотопу) взаємозв’язок між кількістю материнського і дочірнього ізотопів описується рівнянням:
EMBED Equation.3 або EMBED Equation.3 (7)
Такий стан називають “віковою рівновагою”. При віковій рівновазі активність дочірніх ізотопів дорівнює активності ізотопу материнського, хоча кількість атомів їх може суттєво відрізнятися. Це обумовлено відмінностями у значеннях періодів піврозпаду.
Відомо, що для елементів з природною радіоактивністю співвідношення числа атомів стабільних і активних є постійним (закон постійності ізотопного складу). Тому вміст елементів у досліджуваному зразку можна оцінювати, визначивши його радіоактивність, яка пропорційна концентрації. На цьому принципі грунтуються два методи кількісного визначення вмісту радіоактивних елементів на основі відносних вимірювань: метод одного еталону і метод калібрувального графіка.
Суть методу одного еталону полягає в тому, що в ідентичних умовах вимірюють:
фонову активність Іф [імпульс/хв], відносну активність стандартного зразка з точно відомим вмістом радіонукліду Іст. [імпульс/хв] і відносну активність зразка з невідомим вмістом нукліду Іх [імпульс/хв]:
EMBED Equation.3 (мг) (8)
де mст. і mx - маса нукліду відповідно в стандартному і досліджуваному зразку, мг. Або:
EMBED Equation.3 (мг) (9)
де ωст. і ωx - масова частка нукліду відповідно в стандартному і досліджуваному зразку, %.
Якщо є декілька стандартних зразків з різним вмістом радіонукліду і необхідно виконати аналіз для значної кількості досліджуваних зразків, то в цьому випадку зручно користуватися більш точним від попереднього методом калібрувального графіка. В цьому методі будують графік залежності відносної активності стандартних зразків (Іст – Іф) від процентного вмісту нукліду в цих зразках, а далі вимірюють відносну активність досліджуваного зразка Іх і з графіка знаходять вміст нукліду в зразку ωх (%).
Інша група способів кількісного радіометричного аналізу використовує вимірювання штучної радіоактивності. До неї належать методи осадження в присутності радіоактивного ізотопу, активаційний аналіз, ізотопного розбавлення, радіометричного титрування.
Осадження в присутності радіоактивного ізотопа. Метод оснований на осадженні іонів визначуваного елемента у вигляді нерозчинного осаду надлишком осаджувача (реагента) відомої концентрації, поміченого радіоактивним ізотопом. Відносна активність осаджувача повинна бути відомою. Після осадження вимірюють активність осаду (фільтрату) і визначають кількість визначуваного компонента.
Активаційний аналіз полягає в одержанні радіонукліду із визначуваного елемента шляхом опромінення в ідентичних умовах досліджуваного та стандартного зразків ядерними частинками (α-частинками, нейтронами, протонами) чи γ-квантами.
Після опромінення вимірюють: Іф — фонову активність [імпульс/хв], Іст — активність стандартного зразка з відомим вмістом елементу [імпульс/хв], Іх — активність досліджуваного зразка з невідомим вмістом елементу [імпульс/хв].
Вміст елемента у зразку (ωх чи mх) визначають за рівнянням методу відносних вимірювань (рівняння 8, 9) або методом калібрувального графіка.
За методом ізотопного розбавлення до аналізованої суміші, яка містить нерадіоактивний визначуваний компонент з масою mx, додають відому кількість mo цього ж радіоактивного компоненту з відомою його питомою активністю Іо. Після рівномірного розподілу радіоактивної речовини в суміші частину визначуваного компоненту осаджують одним із способів і вимірюють питому активність осаду Іх.
Користуючись законом збереження активності, записують:
moIoF = (mo + mx)Ix (10)
внесена одержана
і знаходять mx:
moIoF = moIx + mxIx
moIoF – moIx = mxIx
EMBED Equation.3 , мг (11)
Якщо mo << mx , тоді масою добавки нехтують і
moIoF = mxIx
EMBED Equation.3 , мг (12)
де F — аналітичний множник (фактор перерахунку) – відношення молярної маси визначуваного компонента до молярної маси вагової форми (осаду) в степенях їх стехіометричних коефіцієнтів.
Метод застосовується для кількісного визначення компонентів важкорозділюваних складних сумішей, наприклад, бромідів, йодидів або лужних чи лужноземельних металів.
Метод радіометричного титрування — це титриметричний метод аналізу, в якому точку еквівалентності визначають за перетином прямих залежності активності розчину від об’єму титранту до і після досягнення точки еквівалентності.
Метод базується на утворенні визначуваним іоном з титрантом малорозчинної сполуки, яка легко відокремлюється від титрованого розчину у вигляді осаду.
Можливі три варіанти радіометричного титрування:
радіоактивним ізотопом помічають один з елементів, що входить до складу розчину, який титрують. В цьому випадку активність розчину до точки еквівалентності понижується у зв’язку з випаданням в осад визначуваного нукліду, а після точки еквівалентності залишається малою (фоновою) і постійною.
титрування ведуть реагентом, який містить радіоактивний ізотоп. В цьому випадку до точки еквівалентності активність розчину залишається малою (фоновою) і постійною, що пов’язано з осадженням радіоактивного титранту і виведенням його з розчину, а після точки еквівалентності активність починає лінійно зростати пропорційно до нагромадження в розчині активного титранту.
титрування розчину, що містить радіоактивний ізотоп визначуваного іона, ведуть реагентом, який також містить радіоактивний ізотоп. В цьому випадку активність розчину до точки еквівалентності понижується завдяки зменшенню концентрації визначуваної радіоактивної речовини, а після точки еквівалентності зростає пропорційно до збільшення в розчині концентрації радіоактивного титранту.
2. способи реєстрації радіоактивного випромінювання
Реєстрація радіоактивного випромінювання – це одержання якісної та кількісної інформації за результатами вимірювання радіоактивності нуклідів, які містяться в досліджуваному зразку.
Реєстрація випромінювання дозволяє визначити: присутність радіонуклідів у досліджуваному зразку, вид розпаду та енерґію випромінювання, вміст радіонукліду в зразку.
Реєстрацію випромінювання здійснюють за допомогою приладів: радіометрів, α,β,γ-спектрометрів, дозиметрів. Реєстрація випромінювання в цих приладах здійснюється за допомогою відповідних детекторів.
В основі будь-якого методу реєстрації лежить взаємодія радіоактивного випромінювання з речовиною, яка знаходиться в детекторі. Залежно від того, який ефект цієї взаємодії використовується, розрізняють кілька методів реєстрації.
Іонізаційні методи ґрунтуються на іонізуючій дії радіоактивного випромінювання. В цих методах вимірюють електропровідність інертних газів, яка зумовлена іонізацією їх молекул в результаті взаємодії з радіоактивним випромінюванням.
Іонізаційні детектори — це балони, заповнені інертним газом, всередині яких знаходяться ізольовані один від одного металеві електроди (катод і анод). При потраплянні всередину балона α-, β-частинок чи γ-квантів відбувається іонізація газу (арґон, гелій), в результаті якої одержані позитивно заряджені іони та електрони під дією прикладеної до електродів різниці потенціалів переміщуються, відповідно, до катоду чи аноду. Внаслідок цього в колі виникає електричний струм, який реєструється радіометром як електричний імпульс.
Серед іонізаційних детекторів радіоактивного випромінювання найбільш розповсюдженим є іонізаційні камери, лічильники пропорційного типу і лічильник Гейгера-Мюллера.
Газорозрядний лічильник Гейгера-Мюллера – це невелика трубка, корпус якої виготовлено з алюмінію або нержавіючої сталі. Якщо корпус є скляним, то внутрішня його поверхня покривається шаром металу, наприклад, міді. Всередині натягується нитка з хімічно стійкого матеріалу (вольфраму). Між ниткою (анодом) і корпусом (катодом) подається необхідна різниця потенціалів. Самозатухаючі лічильники заповнюються всередині сумішшю інертного газу (гелій, аргон) і багатоатомного газу (пари етилового спирту, СН4) чи галогенами (Cl2, Br2, J2). Якщо лічильник заповнений інертним газом і парами галогена, то він називається галогенним.
При попаданні всередину лічильника α-, β-частинок відбувається іонізація газу. У випадку γ-квантів іонізація газу всередині лічильника здійснюється, в основному, фото- і комптонівськими електронами, які виникають при взаємодії випромінювання з металічним покриттям стінок лічильника. Утворені електрони, прискорюючись в електричному полі, іонізують газ ударом з утворенням нових електронів і позитивних іонів. Новоутворені електрони, в свою чергу, продовжують ударну іонізацію і т.д. Виникає електронна лавина, яка концентрується на нитці за час порядка 10-8 с і шар позитивних іонів, які проходять до катоду за час 10-5 - 10-4 с. Внаслідок нездатності позитивних іонів спиртів чи галогенів спричиняти ударну іонізацію, самочинний розряд припиняється, як тільки іони досягнуть катода і відбудеться їх рекомбінація. Під час самочинного розряду нові ядерні частинки, які потрапляють в лічильник, не можуть бути зафіксовані і цей проміжок часу (~10-4 с) називають мертвим часом. Ефективність лічильника Гейгера-Мюллера для α-і β-частинок близька до одиниці, а для γ-квантів – складає лише 0,5- 2 %.
В основі сцинтиляційних методів лежить здатність деяких матеріалів (сцинтиляторів) перетворювати енерґію радіоактивного випромінювання в енерґію фотонів світлового випромінювання. Сцинтиляторами можуть бути: неорганічні кристали, активовані добавками - ZnS(Ag), NaI(Tl), LiI(Sn); органічні кристали - антрацен, нафталін.
Механізм реєстрації радіоактивного випромінювання сцинтиляційним лічильником полягає в тому, що α-, β-частинки чи γ-кванти, які потрапляють на монокристали сцинтиляторів, викликають свічення (люмінесценцію) сцинтилятора, причому інтенсивність спалахів світла залежить від енерґії радіоактивного випромінювання.
Поява спалахів світла на сцинтиляторі, що зумовлені поглинанням енерґії α-, β-частинок чи γ-квантів і виділенням через 10–5 – 10–9 с світлової енерґії, одержала назву сцинтиляції.
Для підрахунку кількості сцинтиляцій світлова енергія перетворюється в електричні імпульси за допомогою фотоелектронного помножувача (ФЕП). Світло потрапляє на фотокатод ФЕП (Cs3Sb) і вибиває з нього фотоелектрони. Їх кількість помножується на каскаді проміжних електродів (дінодів). Помножені таким чином фотоелектрони потрапляють на анод і реєструються як електричний імпульс.
В авторадіографічних методах використовують хімічні реакції, що відбуваються у фотоемульсіях під дією радіоактивного випромінювання.
Випромінювання, яке виділяється ядрами нуклідів, взаємодіє із зернами галоґенідів срібла фотоемульсії і викликає появу прихованого зображення. Після хімічної обробки (проявлення) фотоматеріалу приховане зображення переходить у видиме (почорніння фотопаперу). Фотографічні зображення, одержані таким чином, називають авторадіограмами. Характер слідів (треків) на авторадіограмах, залежать від типу випромінювання і, меншою мірою, від його енерґії, яка впливає на довжину треку.
При всіх методах реєстрації в детектор потрапляє не все випромінювання від досліджуваного зразка, а тільки певна його частина. Крім того, не все випромінювання, яке потрапляє в детектор, реєструється. Тому покази приладів реєструють не абсолютну активність а (розпад/с), а відносну (реєстровану) активність І (імпульс/с) чи (імпульс/хв).
При дотриманні ідентичності умов реєстрації зразків відносна активність І є пропорційною абсолютній з коефіцієнтом пропорційності f, який називається коефіцієнтом реєстрації:
І = f а , f < 1. (13)
Коефіцієнт реєстрації f залежить від геометрії зразка, його густини, розташування відносно детектора, тому його складно визначити. Однак сталість коефіцієнту f при дотриманні постійності умов експерименту дає змогу користуватися значеннями відносної активності.
Лабораторна робота №1.
Визначення активності методом відносних вимірювань на радіометрі Б-2.
Мета роботи: одержання лічильної характеристики детектора Гейгера-Мюллера та визначення методом одного еталону вмісту урану у невідомому зразу.
Обладнання та матеріали
Радіометр Б-2 з лічильником Гейгера-Мюллера.
Набір радіоактивних препаратів з відомим і невідомим вмістом нітрату уранілу.
Радіометр типу Б-2. Для реєстрації ядерного випромінювання в лабораторних умовах за допомогою лічильників Гейгера-Мюллера та сцинтиляційних детекторів використовується радіометр типу Б-2. Він складається з блоку тримача газорозрядних лічильників, перерахункового пристрою, електромеханічного лічильника і високовольтного блоку живлення детекторів радіоактивного випромінювання.
Підготовка радіометра Б-2 до роботи та порядок проведення вимірювання.
Увімкнути радіометр в електричну мережу (220 В/50 Гц). Після цього тумблер “МЕРЕЖА” перевести в положення “ВКЛ” (світиться зелений індикатор). Прогріти прилад 5-10 хвилин.
Тумблером “Коефіцієнт перерахунку” встановити по шкалі необхідне значення коефіцієнта перерахунку (зазвичай “х16” чи “х64”).
Натиснути кнопку “СКИД” (світлові індикатори повинні погаснути). Ручками над електромеханічним лічильником встановити “нулі” шкал лічильника навпроти стрілок.
Встановити необхідне значення напруги. Для цього під наглядом викладача дуже повільно з періодичними зупинками повертають за годинниковою стрілкою ручку “РЕГУЛЯТОР НАПРУГИ” і слідкують, щоб стрілка вольтметра зупинилась на позначці шкали, значення якої є на 30-50 В менше, ніж необхідно. Якщо через 2-3 хвилини стрілка не піднімається до необхідного значення величини напруги, плавним рухом регулятора її встановлюють точно. Якщо напруга встановилася більшою ніж необхідно, регулятором напруги виводять стрілку на нуль і кілька разів натискають кнопку “ЗАМИКАННЯ ВИСОКОЇ НАПРУГИ”. Після цього знову плавно встановлюють напругу. До вимірювань приступають лише тоді, коли переконались, що напруга стабілізувалася на заданому значенні.
На предметний столик під лічильником встановлюється досліджуваний зразок.
Для проведення вимірювань необхідно одночасно з тумблером “ПУСК” ввімкнути секундомір. При цьому неонові лампочки і електромеханічний лічильник повинні почати реєстрацію імпульсів. По закінченні визначеного часу вимірювання вимкнути тумблер “ПУСК” і записати значення шкал лічильника і світлових індикаторів. Число зареєстрованих імпульсів рівне показу лічильника, помноженому на коефіцієнт перерахунку плюс сума чисел, які знаходяться біля засвічених світлових індикаторів.
Наприклад: покази лічильника – 102, коефіцієнт перерахунку – х16, горять світлові індикатори з цифрами 1, 4 і 8.
Загальне число імпульсів рівне (102 х 16) + (1+4+8) = 1645.
Перед проведенням наступних вимірювань необхідно натиснути кнопку “СКИД” і встановити нулі шкал електромеханічного лічильника.
Після закінчення роботи вимкнути прилад, для чого:
ручкою “РЕГУЛЯТОР НАПРУГИ” вивести стрілку вольтметра на нуль;
перевести тумблер “МЕРЕЖА” в положення “ВИКЛ”;
кілька разів натиснути кнопку “ЗАМИКАННЯ ВИСОКОЇ НАПРУГИ”;
від’єднати прилад від мережі.
Порядок виконання роботи.
1. Перевірка блоку перерахунку. Підготувавши прилад до роботи, перевести перемикач перерахунку в положення “ПЕРЕВІРКА”. Одночасно з секундоміром вмикають тумблер “ПУСК”. Рівно через 64 секунди вимикають тумблер “ПУСК”. Електромеханічний лічильник повинен зареєструвати 50 імпульсів від внутрішнього контрольного генератора електричних імпульсів. Допускається неточність ± 1-2 імпульси. Вимірювання повторюють три рази.
2. Побудова лічильної характеристики газорозрядного лічильника. Для реєстрації ядерного випромінювання необхідно встановити оптимальне значення напруги на лічильнику, так звану робочу напругу. Для цього проводять визначення лічильної характеристики лічильника Гейгера-Мюллера. Лічильна характеристика – це залежність швидкості лічби I [імп/хв] від напруги U [B] між електродами (рис. 1). Вона одержується для діапазону напруг ділянки Гейгера на вольтамперній кривій, де кожна частинка, яка потрапила всередину лічильника, створює в ньому коронний розряд і реєструється.
В точці Uп починається реєстрація ядерного випромінювання. Відрізок Uп – U1 може бути настільки малим, що його не завжди вдається отримати експериментально. Ділянка напругU1 – U2 – це плато лічильної характеристики, в якій реєстрована швидкість лічби мало залежить від зміни напруги.
Робоча напруга Uроб вибирається приблизно посередині або трохи ближче до початку плато, яке характеризується довжиною (ΔU = U2 – U1) та нахилом (ΔI). Нахил плато розраховується за формулою:
EMBED Equation.3 ,
де ΔI – збільшення швидкості лічби (імп/хв) при збільшенні напруги (В) на лічильнику на величину ΔU; Iроб - швидкість лічби (імп/хв) при робочій напрузі. Лічильник вважається справним, якщо нахил плато складає не більше 0,15 % на 1 В.
3. Визначення лічильної характеристики лічильника. Радіоактивний препарат з малою активністю (швидкість лічби 500-1000 імп/хв) розташовуть на підставці на відстані 2-3 см від поверхні газорозрядного лічильника. Вмикають тумблер “ПУСК” і дуже повільно ручкою “РЕГУЛЯТОР НАПРУГИ” збільшують напругу (слідкувати за стрілкою вольтметра) до величини, коли на блокові перерахунку світлові індикатори почнуть фіксувати проходження імпульсів. Зафіксувати цю напругу (напругу початку лічби). Вимкнути тумблер “ПУСК”, натиснути “СКИД”, ручками встановити на нуль шкали електромеханічного лічильника. Одночасно з секуундоміром ввімкнути тумблер “ПУСК” і виміряти на протязі 2-3 хвилин швидкість лічби препарату. Вимкнути тумблер “ПУСК” і секундомір, записати покази шкал лічильника і суму цифр біля засвічених світлових індикаторів в таблицю. Натиснути кнопку “0”, встановити на нуль шкали електромеханічного лічильника, збільшити напругу не більше, ніж на 40-50 В і через 2-3 хвилини провести вимірювання швидкості лічби на протязі 2-3 хвилин. Знову збільшити напругу на 40-50 В і виміряти швидкість лічби. Вимірювання припинити, коли швидкість лічби зросте на 20-30 %. Після закінчення експерименту понизити напругу до 400 В.
Таблиця
Результати вимірювань лічильної характеристики лічильника Гейгера-Мюллера
На основі експериментально отриманих даних побудувати графік залежності швидкості лічби (І, імп/хв) від напруги (U, B) між катодом і анодом лічильника.
На основі отриманих даних розрахувати нахил плато:
EMBED Equation.3
4. Вимірювання фону газорозрядного лічильника. Фон лічильників обумовлений космічним випромінюванням, наявністю радіоактивних ізотопів в оточуючому середовищі, самочинними імпульсами від з катоду лічильника. Для визначення фону необхідно:
встановити робочу напругу (Uроб);
на протязі tф (5-10 хв) провести визначення кількості імпульсів (Nф) і розрахувати швидкість лічби фону (Іф, імп/хв):
EMBED Equation.3 .
5. Визначення вмісту радіонукліду методом відносних вимірювань. З метою забезпечення заданої відносної точності вимірювань (δ), необхідно правильно вибрати тривалість вимірювань швидкості лічби фону, еталонного і невідомого зразків. Для цього при робочій напрузі визначають швидкість лічби від фону, еталону і зразка з невідомою активністю на протязі 3 – 5 хв. Оптимальну тривалість вимірювань розраховують за формулами:
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 ,
де tф, tзр – оптимальна тривалість вимірювання швидкості лічби від фону, зразків з невідомою активністю і еталону, відповідно (хв); Uν – коефіцієнт, який відповідає прийнятому рівню довірчої ймовірності ν (для ν = 0,95 Uν = 1,96); Іф, Ізр – швидкості лічби від фону, зразків з невідомою активністю і еталону; δ – відносна похибка вимірювань, виражена в частках.
Визначення оптимального часу вимірювань можна також здійснити за таблицею Белла (див. додаток 1).
Після цього протягом оптимального часу проводять вимірювання швидкості лічби зразків і розраховують масу радіоактивної сполуки (урану) у невідомому зразку (mх, мг):
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 .
Лабораторна робота №2.
Радіометричне визначення калію в твердих сипучих зразках за його природною радіоактивністю методом калібрувального графіка
Природний калій – це суміш трьох ізотопів: 39К - 93,08 %, 40К - 0,0118 %, 41К – 6,91 %. Радіонуклід 40К розпадається до 40Са, випромінюючи β-частинки (Emax = 1,32 МеВ, 89 %), з періодом піврозпаду Т1/2 = 1,25·109 років:
EMBED Equation.3 K β– + EMBED Equation.3 Ca + ν
40К шляхом електронного захоплення (ЕЗ) чи β+-розпаду перетворюється у 40Ar. ЕЗ супроводжується випромінюванням γ-квантів (Emax = 1,46МеВ, 11 %).
Метод грунтується на вимірюванні β– і γ-випромінювання, яке утворюється при розпаді радіонукліду 40К. Питома активність природного калію за β– і γ-випромінюванням складає біля 30 Бк/г. В шарі порошкоподібних проб з вмістом калію, відбувається поглинання β–-частинок, і шар повного поглинання складає приблизно 0,3 см. Тобто, зразки з товщиною більшою 0,3 см мають β–– активність пропорційну до вмісту калію у зразку.
Цей метод визначення калію з нижньою межею 3 – 5 % та відносною похибкою до 10 % використовується в гірничій калієвій промисловості, у виробництві цементу та ін.
Обладнання та матеріали
Радіометр бета-випромінювання “БЕТА” (іонізаційний детектор) або РУБ-01П з блоком детектування БДЖБ-06П1 (сцинтиляційний детектор).
Набір стандартних зразків сумішей KCl та NaCl з відомим вмістом 40К (від 5 до 50 %).
Набір зразків з невідомим вмістом 40К.
2.1. Визначення відносної активності на радіометрі “БЕТА”.
2.1.1. Ознайомитися з інструкцією до приладу (див. додаток 2).
2.1.2. Ввімкнути прилад, як описано в інструкції.
2.1.3. Встановлюють режим роботи "3" (100 с) або "4" (500 с) чи при необхідності інший режим роботи. Повзунок перемикача звукового сигналізатора знаходиться зліва від штекера кабеля живлення на торці блока індикатора. Вмикають звуковий сигналізатор, пересу нувши вправо повзунок його перемикача.
2.1.4. Вимірювання числа імпульсів від фону. Для цього натискають кнопку "ПУСК" (тривалість натис кання не менше 1 с). При цьому "обнулюється" табло і починаєть ся реєстрація імпульсів від фону Nф. Про закінчення вимірюван ня сповіщає звуковий сигнал. Покази лічильника заносять у таблицю. Після цього знову натискають кнопку "ПУСК". Вимірювання повторюють 5 разів. Обчислюють середнє значення кількості імпульсів від фо ну Nф.сер. Розраховують швидкість лічби за секунду для фону Іф (імп./с), розділивши Nф.сер. на час вимірювання, і перерахову ють її на швидкість лічби за хвилину (імп./хв), домноживши Іф на 60.
2.1.5. Для реєстрації імпульсів від еталонних та досліджуваних зраз ків поміщають їх кожен раз у свинцевий будиночок на однако вій відстані від іонізаційного детектора (нижня позиція).
Вибирають відповідний режим роботи, тобто час вимірювання, що забезпечує бажану точність вимірювання. Здійснюють 5 вимірів кількості імпульсів для кожного зразка і проводять обчислення аналогічно до пункту 2.1.4. Всі результати вимірювань і обчислень записують в таблицю (див. п. 2.3).
2.1.6.Після закінчення вимірювань виймають з свинцевого будиночка останній радіоактивний зразок і відають викладачу. Вимикають прилад.
2.2. Визначення відносної активності на радіометрі “РУБ-01П”.
2.2.1. Ознайомитися з інструкцією до приладу (див. додаток 3).
2.2.2. Ввімкнути прилад, як описано в інструкції.
2.2.3. Встановити заданий викладачем час експозиції. Для цього потрібно натискати кнопку "ЭКСПОЗ", щоб засвітився світлодіод з відповідним значенням експозиції, наприклад 100 с.
2.2.4. Вимірювання числа імпульсів від фону. При закритому порожньому висувному пеналі виконати 5 вимірю вань фонової швикості лічби з заданою експозицією. Натиснути кнопку "ПУСК" (при цьому на цифровому індикаторі з'являться "нулі" і почнеться лічба. Після закінчення часу вимірювання подається звуковий сигнал і на цифровому індикаторі протягом 5 секунд знаходиться число зафіксованих імпульсів - Nф, яке необхідно встигнути записати, оскільки через 5 с число зникає з індикатора і починається нова лічба. Покази лічильника заносять у таблицю. Вимірювання повторюють 5 разів. Обчислюють середнє значення кількості імпульсів від фо ну Nф.сер. Розраховують швидкість лічби за секунду для фону Іф (імп./с), розділивши Nф.сер. на час вимірювання, і перерахову ють її на швидкість лічби за хвилину (імп./хв), домноживши Іф на 60.
2.2.5. Визначення відносної активності еталонних та досліджуваних зраз ків. В пенал потрібно помістити по чергово стандартні зразки та досліджувані проби . Аналогічно, як при вимірюванні фону, виміряти швидкості лічби імпульсів для стандартних зразків та досліджуваних проб з фоном і об числити значення середньої швидкості лічби імпульсів для кож ного зразка і проби аналогічно до пункту 2.2.4. Всі результати вимірювань і обчислень записують в таблицю (див. п. 2.3).
2.2.6.Після закінчення вимірювань виймають з пеналу радіоактивні зразки і відають викладачу. Вимикають прилад.
2.3. Дані з таблиці використати для побудови калібрувального графіка в координатах (Іф+зр-Іф) -ω,%. За цим графіком визначити вміст 40К в досліджуваній пробі.
Таблиця
3. питання для підготовки до колоквіуму
Поняття про радіоізотопи (радіонукліди). Ряди природних радіоактивних ізотопів, їх загальна характеристика. Основні способи одержання штучних радіоізотопів. Основна відмінність штучних ра діонуклідів від природних.
Види ядерних перетворень і радіоактивних випромінювань. Суть -, --, +- і спонтанного (f) розпадів, електронного захоплення (Е.З.), -випромінювання, ізомерного переходу (І.П.). Властивості -, --, +-, -випромінювання (маса, заряд, швидкість, енергія, питома іонізаційна та проникаюча здатність, біологічна дія та ефективність).
Закон радіоактивного розпаду. Стала радіоактивного розпаду та період піврозпаду Т1/2, їх суть та залежність між ними.
Поняття про абсолютну активність (а). Одиниці активності (по засистемні та в системі СІ). Масова і об'ємна питомі активності. Зміна активності в часі. Залежність між активністю і масою радіонук ліда.
Способи реєстрації радіоактивного випромінювання. Будова та принцип роботи іонізаційної камери, газорозрядного лічильника Гейгера-Мюллера, напівпровіднико во го та сцинтиляційного лічильників, основні сцинтилятори. Фон лічильника та його визначення.
Лічильні характеристики газорозрядних лічильників. Вольт-амперна ха рактеристика газорозрядного лічильника (ділянки насичення, про порційності, Гейгера). Визначення величини та нахилу плато, робо чої напруги для лічильників Гейгера-Мюллера.
Радіометри типу "Б-2", "БЕТА" та РУБ-01П. Основні блоки, їх призначення та принцип роботи.
Суть і умови вимірювання активності відносним (еталонним) ме тодом. Реєстрована активність (швидкість лічби). Зв'язок між реєстрованою і абсолютною активностями. Коефіцієнт реєстрації і найпростіший спосіб його визначення. Зв'язок між реєстрованою активністю та масою або масовою часткою радіонукліда (,%) в етало ні (стандартному зразку) або у вимірюваній пробі. Зміна реєстро ваної активності в часі. Питомі (масова та об'ємна) реєстровані активності. Вибір тривалості вимірювання швидкості лічби фону, еталону і проби невідомої активності (розрахунок за формулами та за таблицею Белла).
Використання природньої радіоактивності в аналізі. Характеристика радіоізотопа 40К. Суть методики радіометрич ного визначення калію в твердих сипучих зразках та розчинах.
Випадки застосування, суть та особливості методів: а) ізотоп ного розбавлення; б) ана лізу з використанням надлишку стандарти зованого осаджувача, що містить радіонуклід; в)радіометричного титрування (форма кривих титрування та способи визначення точки еквівалентності); г) активаційного аналізу.
Сфери використання радіометричних методів аналізу. Чут ливість, точність, переваги та недоліки.
Основні вимоги з техніки безпеки при роботі з радіоактивними ізотопами.
4. ПРИКЛАДИ РОЗРАХУНКОВИХ ЗАДАЧ
1. Обчислити активність в Бк і Кі: а) 1 г 238U (Т1/2=4,57.109 років); б) 1 г 14С (Т1/2=5568 p.); в) 1 мг 226Ra (Т=1620 p.); г) 1мг 60Со (Т1/2=5,27 p.).
Відповідь: а) 1.237.104 Бк; б) 1.697.1011 Бк; в) 3.617.107 Бк; г) 4.187.1010 Бк.
2. Обчислити, яку масу (г) вказаних нижче радіонуклідів необ хідно взяти для приготування еталонів (стандартних зразків) з ак тивністю 2 мКі: а)238U (l=4,887.10-18); б)226Ra (l=1,367.10-11); в)90Sr (l=7,87.10-10).
Відповідь: а) 5995.04 г; б)2.047.10-3 г; в) 1.427.10-5 г.
3. Обчислити питому об'ємну активність (Бк/мл):
а) 0,1 М розчину 238UO2(NO3)2 (Т1/2=4,57.109 р.); б) 1 М розчину 232Th(NO3)4 (Т1/2=1,397.1010 р.).
Відповідь: а) 294 Бк/мл; б) 951 Бк/мл.
4. Свіжоприготований еталон із 234Th(UX1) (Т1/2=24,1 доби) має активність 67.105 Бк. Якою буде його активність через а) 12,05;б) 24,1; в) 48,2; г) 241 добу?
Відповідь: а) 4.247.105 Бк; б) 3.07.105 Бк; в) 1.57.105 Бк; г) 586 Бк.
5. Обчислити та Т1/2 для короткоживучого радіонукліду, якщо за 6 годин його реєстрована активність зменшилася від 2.57.105 до 1.8067.105 імп./хв Ідентифікувати цей радіонуклід.
Відповідь: = 0.0542 год-1; Т1/2= 12.8 год; 64Cu.
6. Обчислити масову частку калію (, %) в твердих зразках, як що швидкість лічби від еталона з чистого KCl разом з фоном дорів нює 1800 імп/хв, а швидкість лічби досліджуваних зразків: а) 220; б) 398; в) 900; г) 1200 імп/хв. Величина фону 80 імп/хв.
Відповідь: а) 4.27 %; б) 9.70 %; в) 25.00 %; г) 34.15 %.
7. До 250 мл досліджуваного розчину нітрату свинцю невідомої концентрації додали наважку Pb(NO3)2, яка містила 10 мг радіоак тивного свинцю з питомою масовою реєстрованою активністю 192 імп/(хв.мгPb). Після перемішування розчину осадили і виділили деяку кількість свинцю у вигляді PbSO4 (0.1244 г) і виміряли його реєстровану активність 1493 імп/хв. Визначити вміст свинцю в розчині (мг/л).
Відповідь: С(Pb)=943.72 мг/л.
8. Знайти період піврозпаду (T1/2, діб) та ідентифікувати --активний штучний радіонуклід, який одержали при активаційному аналізі бомбардуванням досліджуваної проби нейтронами. Реєстрова на активність цього радіонукліду (імп/хв) змінювалася в часі так:
Відповідь: Т1/2= 14.5 доби; 32P .
9. Для визначення вмісту іонів Cl- у мінеральній воді 25,0 мл проби цієї води відтитрували 0.0986 М розчину AgNO3, що містив радіонуклід 111Ag. Після додавання кожної порції титранту розчин добре перемішували, відбирали однакову кількість з осадом AgCl, який відцентрифуговували і вимірювали реєстровану активність центрифугату (імп/хв). Після вимірювання активності центрифугат повертали назад у колбу для титрування. Були одержані такі результати радіометричного титрування:
Обчислити концентрацію іонів хлору у воді в мг/л.
Відповідь: С(Cl-)= 615.24 мг/л .
10. Обчислити, які об'єми (мл, умови нормальні) інертних газів 4He і 222Rn виділяються при радіоактивному розпаді 1 грама 226Ra (T1/2=1620 років) за 1 рік (365.25 діб). Радіонуклід 226Ra є -активним.
Відповідь: V(4He) = V(222Rn) = 4.247.10-2 мл.
11. Користуючись таблицею Белла або відповідними формулами, об числити скільки хвилин потрібно вимірювати фон (tФ), реєстровану активність стандартного (tст) та досліджуваного (tх) препаратів, щоб точність вимірювання була з відносною похибкою 3 % (0.03), якщо при початковому короткочасному вимірюванні протягом 1 хвили ни було одержано такі результати для фону ІФ = 80 імп/хв і для зразків з фоном: Іст = 420 імп/хв та Іх = 800 імп./хв.
Відповідь: за таблицею Белла tФ= 11 хв; tст= 24 хв; tх= 9 хв.
за формулами tФ= 10 хв; tст= 23 хв; tх= 9 хв.
12. Для визначення Ba2+ до 200.0 мл досліджуваного розчину в надлишку додали 25.0 мл H2SO4, що містить сірку, яка позначена радіонуклідом 35S. Титр доданого розчину H2SO4 за SO42- дорівнює 0.00961 г/мл. Реєстрована питома об'ємна активність розчину осаджу вача була рівною Іпит.=2470 імп/(хв.мл). Після відокремлення осаду виміряли активність розчину, який містив надлишок SO42-, Iроз=15850 імп/хв. Активність осаду BaSO4 визначили за різницею між загальною (внесеною активністю) і активністю розчину після відокремлення осаду. Обчислити концентрацію іонів Ba2+ в г/л.
Відповідь: С(Ba2+) = 1.277 г/л.
5. РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
Васильев В.П. Аналитическая химия.- Ч.2.- Москва: "Высшая шко ла",1989 - 384 с.
Пилипенко А.Т., Пятницкий И.В. Аналитическая химия.- Ч.2.- Москва:"Химия", 1990.
Ляликов Ю.С. Физико-химические методы анализа. Москва:"Химия", 1974.- 536 с.
Крешков А.П. Основы аналитической химии.- Ч.3.- Москва:"Химия", 1970.- 471 с.
Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода.- Под ред. Лукьянова В.Б.- Москва: "Высшая школа", 1985.
Радиоактивные индикаторы в химии. Проведение эксперимента и обработка результатов.// Лукьянов Б.Л., Бердоносов С.С., Бога тырев И.О. и др.- Москва:"Высшая школа".- 1977.- 280 с.
6. Додатки
Додаток 1
Визначення сумарного числа імпульсів, яке забезпечує задану точність реєстрації
при 95 %-ій довірчій ймовірності
Протягом 1 хв. вимірюють швидкість лічби (імп/хв) від фону Іф, еталонного і невідомого зразків Ізр з фоном. Обчислюють відношення Ізр /Іф. В першій колонці таблиці (Ізр /Іф) знаходять...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора