Анализ по наведенной активности

Анализ по наведенной активности (АНА) представляет собой радиохимический метод количественного определения содержания химических элементов в образцах на основе регистрации радиации, возникающей при их активации внешними нейтронами или γ-лучами. Основной принцип метода заключается в превращении стабильного или природного изотопа элемента в радиоактивный изотоп с известными характеристиками распада, что позволяет проводить измерение с высокой чувствительностью.

Механизм образования наведенной активности

Процесс анализа начинается с облучения исследуемого образца потоком нейтронов или γ-лучей, что приводит к ядерным реакциям вида:

[ {A}{Z}X(n,γ)^{A+1}{Z}X*]

где ({A}{Z}X) — стабильный изотоп элемента, (n) — нейтрон, (^{A+1}{Z}X*) — образовавшийся радиоактивный изотоп. Активированные ядра испускают характерное излучение (γ- или β-лучи), интенсивность которого пропорциональна количеству атомов данного элемента в образце.

Виды ядерных реакций, используемых в АНА

  1. (n,γ)-реакции — наиболее часто применяются для элементов с высоким сечением захвата тепловых нейтронов. Пример: облучение натрия приводит к образованию ^24Na, испускающего γ-излучение с энергией 1,37 МэВ.
  2. (n,p) и (n,α)-реакции — используются для элементов с низким сечением (например, легкие элементы), позволяя активировать ядра, которые не реагируют на тепловые нейтроны.
  3. γ-активация (γ,n) — применяется для элементов, чувствительных к фотоядерным реакциям при облучении γ-квантами высокой энергии.

Подготовка образцов и условия облучения

Ключевым этапом является обеспечение однородности образца и минимизация потерь при его обработке. Образцы могут быть в виде порошков, растворов или твёрдых тел, помещаемых в контейнеры, устойчивые к нейтронному потоку. Продолжительность облучения и поток нейтронов подбираются исходя из ожидаемой чувствительности и полуэлементарного содержания элемента.

Детектирование и измерение наведенной активности

После облучения образцы выдерживаются определённое время (время выжидания) для учета короткоживущих радионуклидов и снижения фона. Детектирование проводится с помощью:

  • Германий-литиевых (Ge(Li)) детекторов — обеспечивают высокое разрешение γ-спектра.
  • Сцинтилляционных детекторов — используются для быстрого анализа и измерения активности элементов с высокой энергией γ-излучения.
  • Газовых счётчиков (NaI(Tl)) — применяются для количественного определения β- и γ-излучения, когда разрешение спектра не критично.

Квантитативный анализ

Концентрация элемента вычисляется по формуле:

[ C = ]

где:

    1. — измеренная активность,
  • (σ) — сечение захвата нейтронов,
  • (Φ) — поток нейтронов,
  • (N_t) — количество атомов элемента в образце,
  • (λ) — постоянная распада,
  • (t_{}) — время облучения,
  • (t_{}) — время выдержки,
  • (t_{}) — время измерения.

Применение стандартов и эталонов с известной активностью обеспечивает коррекцию измерений и повышает точность.

Преимущества метода

  • Высокая чувствительность — возможность определения следов элементов в микро- и нанограммовых концентрациях.
  • Многокомпонентность — возможность одновременного анализа нескольких элементов в сложных матрицах.
  • Неразрушающий характер — образец сохраняет химическую структуру после измерения, что важно для редких или ценных материалов.

Ограничения и источники ошибок

  • Требуется наличие источника нейтронов (реактор или ускоритель), что ограничивает доступность метода.
  • Элементы с малым сечением захвата требуют длительного облучения.
  • Фоновое излучение и наложение спектральных линий могут снижать точность измерений.
  • Радиоактивное загрязнение лаборатории и необходимость защиты персонала требуют строгого соблюдения радиационной безопасности.

Области применения

  • Геохимия и минералогия — определение следовых элементов в горных породах и минералах.
  • Экологический мониторинг — выявление загрязнителей в воде, почве, воздухе.
  • Материаловедение — контроль примесей в металлах и сплавах.
  • Биохимия и медицина — изучение распределения микроэлементов в биологических тканях.

Анализ по наведенной активности остаётся одним из наиболее точных и чувствительных методов радиохимии, обеспечивая количественное определение элементов на уровне следов с минимальным разрушением исследуемого материала.

Оглавление