NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA ANALITYKA W KONTROLI JAKOCI - PODSTAWOWE INFORMACJE O REAKCJACH JDROWYCH - NEUTRONOWA ANALIZA WYKŁAD 3 REAKCJE JDROWE

Transkrypt

1 NLITYK W KONTROLI JKOCI WYKŁD 3 NEUTRONOW NLI KTYWCYJN - PODSTWOWE INFORMCJE O REKCJCH JDROWYCH - NEUTRONOW NLI KTYWCYJN REKCJE JDROWE Rozpad promieniotwórczy: Reakcja jdrowa: + x B + y + E B + y + E Gdzie:, B jdra oznaczane zwykle jako: X. l. masowa; l atomowa y czstki emitowane z jdra (, +, -, p, n,...) E energia unoszona jako promieniowanie x czstki atakujce (, -, p, n,...) Szybko rozpadu: ROPD PROMIENIOTWÓRCY dn = kn dt Gdzie: N liczba jder ulegajcych rozpadowi, k stała przemiany promieniotwórczej Liczba jder ulegajcych rozpadowi N = N exp( kt) Czas połowicznego rozpadu (okres półtrwania) τ = ln = k k Czas po którym połowa jder ulegnie rozpadowi Rozpad X Bi 28 8 X + α Tl + α + 2 ( α = He ) 4 Rozpad n p+ p n+ + e + ν e + ν Bi 2 84 Po+ 3 N C+ 6 + e + e + ν

2 Wychwyt K wychwyt K + p e( powł K n +ν ) Rozpad X * X Samorzutne rozszczepienia jdra PREKRÓJ CYNNY REKCJI JDROWEJ Okrela prawdopodobiestwo zajcia reakcji jdrowej. Szybko reakcji jdrowej: + czstki atakujce B Dana jest wzorem: dn dt dn = dt B = σ ΦN Gdzie: strumie czstek atakujcych N liczba atomów biorcych udział w reakcji przekrój czynny reakcji 2

3 Przekrój czynny ma wymiar jednostki powierzchni najczciej: Schemat procesów w aktywacji neutronowej fm 2 = -3 m 2 Dawniej stosowana jednostka: barn = -24 cm 2 = fm 2 Posta całkowa wzoru definjujcego przekrój czynny: N ln N = σ Φt ktywacja neutronowa Havesy i Levi 936 r. Etapy: X + n +! X X Y * * + + β X * X + γ Y * Y + γ 2 Przekrój czynny. barnów Promieniowanie pierwotne Okres połowicznego rozpadu: s Technika pomiaru N pobieranie próbek masa próbki typowo. mg g w szczególnych przypadkach mog by analizowane próbki µg g przygotowanie próbki zwaona próbka jest zamykana lub zatapiana w szklanym naczyniu. Próbki biologiczne s liofilizowane aktywacja w reaktorze neutrony termiczne o energiach poniej. ev i strumieniu 3 4 neutronów/cm 2 s W Polsce reaktor Maria w wierku WIDMO NEUTRONÓW REKTOROWYCH Rdze MW reaktora badawczego (ródło neutronów) 3

4 Schłodzenie próbki Pomiar promieniowania detektor germanowy PRYKŁDOWE WIDMO PRÓBKI W N INSTRUMENTLN KTYWCJ NEUTRONOW Wyznaczenie stenia w N: bezporednie obliczenia na podstawie czasu i prawa rozpadu promieniotwórczego; porównawcze na podstawie intensywnoci promieniowania gamma wzorca nawietlanego jednoczenie z próbk alety: aktywacja próbki neutronami termicznymi jest bardzo efektywna, przekrój czynny - razy wikszy ni dla neutronów szybkich, fotonów i naładowanych czstek; istnieje silne i dostpne ródło neutronów termicznych (reaktor); przygotowanie próbek nie wymaga złoonych procesów chemicznych, zmniejsza to ryzyko kontaminacji i strat analitu; jdro powstałe z wychwytu neutronu jest izotopem oznaczanego pierwiastka; identyfikacja pierwiastka na podstawie pomiaru widma promieniowania γ emitowanego z próbki jest jednoznaczna; relacja midzy aktywnoci γ a iloci pierwiastka jest niezalena od matrycy (z wyj. matrycy silnie pochłaniajcej neutrony); moliwa analiza wielopierwiastkowa; niska granica oznaczalnoci (ok. - kg/kg); metoda nieniszczca, moliwa do stosowania do duych obiektów (np. dzieła sztuki) 4

5 Ograniczenia czuło i uzyskiwana granica oznaczalnoci silnie zale od oznaczanego pierwiastka a przekrój czynny take od jego izotopu; metoda nie jest stosowana do pierwiastków tworzcych w wyniku aktywacji neutronowej wyłcznie stabilnych izotopów lub izotopów niestabilnych ale rozpadajcych si bez emisji γ lub o zbyt krótkim czasie połowicznego zaniku; metoda nie jest stosowana do izotopów o bardzo małym przekroju czynnym; analiza jest czasochłonna, a czas analizy w niektórych przypadkach moe by długi ze wzgldu na konieczno schłodzenia próbki; wymagana specjalistyczna aparatura, znajomo metodyki pomiaru i opracowania wyników - wysoki koszt analizy. Przykład: Oznaczenie rtci NLITYK W KONTROLI JKOCI WYKŁD 4 5

6 NLI LDÓW METOD ICP-OES Optyczna spektroskopia emisyjna ze wzbudzeniem w indukcyjnie sprzonej plazmie PODSTWY SPEKTROSKOPII Widmo absorpcyjne i emisyjne Rodzaje widm i mechanizm ich powstania Rodzaje widm i mechanizm ich powstania Jak powstaje linia spektralna? Przydatne zalenoci: Energia wypromieniowana w postaci fotonu jest charakterystyczna dla konkretnego przejcia elektronowego w konkretnym atomie lub jonie E = hν = hνc c ν = λ h p = λ gdzie: h - stała Plancka Js ν - czsto ν - liczba falowa λ - długo fali p - pd c - prdko wiatła - 3x cm 6

7 Przydatne zalenoci: Liczby kwantowe: n główna liczba kwantowa kwantuje energi elektronu n =, 2, 3, 4 (symbole powłok K, L, M, N ) l poboczna liczba kwantowa moment orbitalny elektronu l =,, n- (symbole s (), p (), d (2), f (3)) m magnetyczna liczba kwantowa orientacja momentu pdu m = (- l + l) TERMY TOMOWE Term atomowy obserwowany stan atomu, odpowiadajcy rzeczywistym stanom o rónej energii, charakteryzujcy si okrelonymi wartociami liczb kwantowych. Symbol termu: 2 S + L L symbol termu L = S P D F G H I K dalej alfabetycznie) 2S+ multipletowo. Dla S=, multipletowo wynosi term singletowy, dla S=/2, multipletowo równa si 2 i mamy term dubletowy itd. J warto sprzenia LS: J moe przyjmowa wartoci od L S do L+S. J s spinowa liczba kwantowa spin elektronu s = -/2, +/2 REGUŁY WYBORU PREJ ELEKTRONOWYCH S= brak zmian wypadkowego spinu wynika std, e promieniowanie elektormagnetyczne nie działa bezporednio na spin SPEKTROSKOPI EMISYJN L=, ±; l = ± Musi si zmienia moment pdu elektronu to czy pociga to całkowit zmian momentu orbitalnego wynika ze sprzenia J=, ± z wyjtkiem J= powodu reguł wyboru nie wszystkie moliwe przejcia elektronowe pomidzy termami s widoczne na widmie BUDOW SPEKTROGRFU EMISYJNEGO ICP-OES 7

8 PLM Plazma to zjonizowany gaz o odpowiednio duej koncentracji czstek naładowanych w postaci jonów i elektronów. Plazma silnie oddziałuje z zewntrznym polem elektrycznym i magnetycznym. Jest równie dobrym przewodnikiem prdu elektrycznego. Opór elektryczny plazmy maleje wraz ze wzrostem temperatury i w wysokich temperaturach plazma jest lepszym przewodnikiem ni metale. Plazma wysyła silne promieniowanie w zakresie promieniowania podczerwonego, widzialnego, nadfioletowego i rentgenowskiego. Przy niskich temperaturach emituje przede wszystkim widmo dyskretne zwizane z przejciem elektronów midzy okrelonymi poziomami energetycznymi atomów lub jonów. e wzrostem temperatury (a wic i jonizacji) wzrasta udział promieniowania o widmie cigłym, pochodzcych z procesu zobojtniania (rekombinacji) jonów i elektronów oraz procesu hamowania swobodnych elektronów w polu elektrycznym jonów. Emisja promieniowania jest przyczyn stygnicia plazmy. by taki stan utrzyma przez dłuszy czas naley zapewni stały dopływ energii. PLNIK PLMOWY ICP Plazma wystpujca w przyrodzie i technice Czstotliwo 27.2 lub 4 MHz, ~ 5x 2 jon/m 3, 4 K Przebieg analizy: - Próbka ciekła (czasem wymagane wstpne przygotowanie mineralizacja, separacja, zakwaszenie, rozcieczenie mineralizacja max.. g/dm 3 ) - Rozpylenie - Procesy w palniku plazmowym: - odparowanie rozpuszczalnika - przejcie w stan pary (stopienie, odparowanie, sublimacja) - termiczna dysocjacja na atomy - wzbudzenie atomów - emisja promieniowania - (ponadto moliwe jest jonizacja i wzbudzenie jonów) Promieniowanie wyemitowane w palniku ulega rozszczepieniu na poszczególne długoci fal na siatce dyfrakcyjnej (pryzmacie) Detekcja poszczególnych długoci fali najczciej matryca diodowa (diode array) lub matryca CCD 8

9 Granice oznaczalnoci (ppb) dla rónych pierwiastków 9