ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI WYKŁAD 3 NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA - PODSTAWOWE INFORMACJE O REAKCJACH JĄDROWYCH - NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA REAKCJE JĄDROWE Rozpad promieniotwórczy: A B + y + ΔE Reakcja jądrowa: A + x B + y + ΔE Gdzie: A, B jądra oznaczane zwykle jako: Szybkość rozpadu: ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Gdzie: N liczba jąder ulegających rozpadowi, k stała przemiany promieniotwórczej Liczba jąder ulegających rozpadowi Czas połowicznego rozpadu (okres półtrwania) y cząstki emitowane z jądra (α, β +, β -, p, n,...) ΔE energia unoszona jako promieniowanie γ x cząstki atakujące (α, β -, p, n,...) Czas po którym połowa jąder ulegnie rozpadowi Rozpad α Rozpad β 1
Wychwyt K Rozpad γ X * X + γ Samorzutne rozszczepienia jądra PRZEKRÓJ CZYNNY REAKCJI JĄDROWEJ Określa prawdopodobieństwo zajścia reakcji jądrowej. Szybkość reakcji jądrowej: A + cząstki atakujące B Dana jest wzorem: Gdzie: Φ strumień cząstek atakujących N A liczba atomów A biorących udział w reakcji σ przekrój czynny reakcji 2
Przekrój czynny σ ma wymiar jednostki powierzchni najczęściej: Schemat procesów w aktywacji neutronowej 1 fm 2 = 10-30 m 2 Dawniej stosowana jednostka: 1 barn = 10-24 cm 2 = 100 fm 2 Postać całkowa wzoru definjującego przekrój czynny: Aktywacja neutronowa Havesy i Levi 1936 r. Etapy: Przekrój czynny 0.001 10000 barnów Promieniowanie pierwotne Okres połowicznego rozpadu: 10-10 - 10 17 s Technika pomiaru NAA pobieranie próbek masa próbki typowo 0.1 mg 1 g w szczególnych przypadkach mogą być analizowane próbki 1 µg 100 g przygotowanie próbki zważona próbka jest zamykana lub zatapiana w szklanym naczyniu. Próbki biologiczne są liofilizowane aktywacja w reaktorze neutrony termiczne o energiach poniżej 0.1 ev i strumieniu 10 13 10 14 neutronów/cm 2 s W Polsce reaktor Maria w Świerku WIDMO NEUTRONÓW REAKTOROWYCH Rdzeń 1 MW reaktora badawczego (źródło neutronów) 3
Schłodzenie próbki Pomiar promieniowania γ detektor germanowy PRZYKŁADOWE WIDMO γ PRÓBKI W NAA INSTRUMENTALNA AKTYWACJA NEUTRONOWA Wyznaczenie stężenia w NAA: bezpośrednie obliczenia na podstawie czasu i prawa rozpadu promieniotwórczego; porównawcze na podstawie intensywności promieniowania gamma wzorca naświetlanego jednocześnie z próbką Zalety: aktywacja próbki neutronami termicznymi jest bardzo efektywna, przekrój czynny 100-1000 razy większy niż dla neutronów szybkich, fotonów i naładowanych cząstek; istnieje silne i dostępne źródło neutronów termicznych (reaktor); przygotowanie próbek nie wymaga złożonych procesów chemicznych, zmniejsza to ryzyko kontaminacji i strat analitu; jądro powstałe z wychwytu neutronu jest izotopem oznaczanego pierwiastka; identyfikacja pierwiastka na podstawie pomiaru widma promieniowania γ emitowanego z próbki jest jednoznaczna; relacja między aktywnością γ a ilością pierwiastka jest niezależna od matrycy (z wyj. matrycy silnie pochłaniającej neutrony); możliwa analiza wielopierwiastkowa; niska granica oznaczalności (ok. 10-10 kg/kg); metoda nieniszcząca, możliwa do stosowania do dużych obiektów (np. dzieła sztuki) 4
Ograniczenia czułość i uzyskiwana granica oznaczalności silnie zależą od oznaczanego pierwiastka a przekrój czynny także od jego izotopu; metoda nie jest stosowana do pierwiastków tworzących w wyniku aktywacji neutronowej wyłącznie stabilnych izotopów lub izotopów niestabilnych ale rozpadających się 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 może być długi ze względu na konieczność schłodzenia próbki; wymagana specjalistyczna aparatura, znajomość metodyki pomiaru i opracowania wyników - wysoki koszt analizy. Przykład: Oznaczenie rtęci 5