книги из ГПНТБ / Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие

Для увеличения точности анализа предварительно произво­ дят химические разделение элементов, входящих в состав мате­ риала, на более узкие группы или осуществляют их полное разделение. Для этого используют методы разделения препа­ ративной радиохимии (см. гл. 3).

Для активации можно использовать любые потоки частиц и соответственно любые ядерные реакции, приводящие к об­ разованию радиоактивных изотопов. Обычно методы актива­ ционного анализа классифицируют по типам частиц, использу­ емых для облучения. В соответствии с этим различают, напри­

протонами, дейтронами, ядрами 3Не, 4Не и др.

Важнейшими достоинствами активационного анализа явля­ ются: экспрессность и высокая чувствительность радиоактивной индикации, позволяющая определять ультрамикроколичества вещества; возможность анализа определяемых элементов в присутствии других элементов и возможность осуществления полной автоматизации анализа.

Общая схема системы установок и аппаратуры для актива­

варительного разделения элементов, входящих в состав мате­ риала (препаративную радиохимическую аппаратуру); 4) си­

систему, позволяющую осуществлять автоматическую перера­ ботку информации от ядернофизических и радиометрических устройств и выдачу готовых результатов анализа.

Наибольшее распространение получили методы нейтронного активационного анализа. Активация материалов в этом слу­ чае производится потоком нейтронов. При взаимодействии нейтронов с ядрами могут возникать следующие ядерные про­ цессы и реакции: 1) реакция захвата нейтронов (п, у); 2) неуп­ ругое рассеяние нейтронов (п, п); 3) ядерная реакция с выле­

ческое у-излучение. По спектру этого излучения можно иденти­ фицировать и производить количественный анализ элементов. Такой анализ можно осуществлять только в процессе облуче­

170

ния материала нейтронами, так как время нахождения ядер в возбужденных изомерных состояниях очень мало (<10 _9т с ) .

Ядра, испытав изомерные переходы, становятся менее воз­ бужденными с большим временем жизни (образуются, как пра­ вило, радиоактивные изотопы). Дальнейшие переходы, веду­ щие к снятию возбуждения ядер радиоактивных изотопов, происходят по типу р~-распада, чистого или с последующими новыми изомерными переходами и испусканием характеристиче­ ского у-излучения. По этим (3- и у-излучениям можно также про­ изводить идентификацию и количественный анализ элементов.

При неупругом рассеянии нейтронов захвата не происходит, а лишь часть энергии расходуется на возбуждение ядер, кото­ рые затем через изомерные переходы с испусканием у-излуче- ния переходят вновь в основное состояние. у-Спектры испуска­

к образованию радиоактивных изотопов с дефицитно-нейтрон­ ными ядрами, испытывающими |3+-распад.

Реакции деления ядер под действием нейтронов (такие реакции происходят на тяжелых ядрах) пока мало исполь­ зуются в активационном анализе.

Каждый из процессов активации ядер под действием нейтронов характеризуется эффективным сечением взаимодей­ ствия (см. гл. I), зависящим от энергии нейтронов.

Источники нейтронов удобно классифицировать по величине создаваемого ими потока. Обычно выделяют три группы источ­ ников нейтронов: 1) мощностью или выходом <105 нейтрон/сек; 2) средней мощностью 105— 1010 нейтрон/сек\ 3) большой мощ­ ностью 1010 нейтрон/сек.

Маломощными источниками нейтронов являются ампульные источники, которые представляют собой ампулы, содержащие смесь a-активного изотопа с бериллием: под действием а-частиц на бериллии идет реакция 9Ве(а, п )12С. В табл. 6.1 приведена

Т а б л и ц а 6.1

Х а р а к т е р и с т и к а а м п у л ь н ы х и ст оч н и к ов н ей тр о н о в

171

характеристика применяемых в настоящее время ампульных источников нейтронов. С точки зрения радиационной безопас­ ности предпочтительнее источники, обусловливающие наимень­ ший выход у-излучения.

Все ампульные источники нейтронов испускают быстрые или средние нейтроны. Для получения медленных нейтронов источник следует помещатьвнутрь какого-либо замедлителя (парафин, воду и т. п.). Схема нейтронного источника, приме­ няемого в активационном анализе, показана на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Схема ампульного источника нейтронов:

используют главным образом для экспрессной оценки содержа­ ния микроколичеств некоторых элементов (Ag, Rh, Eu, Dy, Mn, Br, J, Hf, Zr и др.). Можно, например, определять Si, А1 и Мо в почвах.

Более мощные источники нейтронов — специальные нейтрон­ ные генераторы. Это ускорители заряженных частиц, чаще

большие габариты и возможность транспортирования, относи­ тельно высокий выход нейтронов, возможность значительного повышения чувствительности и точности активационного ана­

172

необходимой для проведения анализа. Такие установки позво­ ляют автоматизировать процессы анализа почв, растительных материалов и удобрений в агрохимической службе.

Перспективы метода автоматического активационного ана­ лиза для сельскохозяйственного производства трудно переоце­ нить. С течением времени метод автоматического активацион­ ного анализа вытеснит трудоемкие методы химического анализа, и задача химиков будет заключаться главным образом в подготовке проб к анализу и проведении исследований хими­ ческих процессов. С помощью активационного анализа опреде­ ляют содержание химических элементов в образце. Подвергая активационному анализу различные вытяжки, экстракты из почв, растений и удобрений, определяют также и содержание под­ вижных форм питательных элементов в указанных объектах.

Разрешающая способность лучших образцов современной ядерноспектральной и радиометрической аппаратуры позво­ ляет проводить одновременно анализ 10—20 химических эле­ ментов в анализируемом материале.

Мощными источниками нейтронов являются ядерные реак­

материала ввести нейтронный ампульный источник.

В зависимости от энергии нейтронов различают три разно­ видности нейтронного активационного анализа: активационный анализ на тепловых, резонансных и быстрых нейтронах. Наиболее широкое применение получил нейтронный актива­ ционный анализ на тепловых нейтронах: протекает реакция типа (п, у). Это обусловлено тем, что он позволяет определять содержание большинства химических элементов (можно вести анализ 74 элементов), обеспечивая исключительно высокую чувствительность анализа. Этот метод не применим или мало

меньшее распространение из-за трудности получения достаточ­ ных потоков нейтронов с заданной резонансной энергией. В агрохимических исследованиях этот метод может быть использован для определения некоторых микроэлементов, например марганца и молибдена в присутствии значительных количеств натрия и хлора.

173

энергии указанные типы ядерных реакций возможны почти для всех элементов. В связи с этим активационный анализ на быстрых нейтронах приобретает все более универсальный ха­ рактер по сравнению с активационным анализом на медленных нейтронах. Оказалось возможным успешное проведение анализа на быстрых нейтронах для легких элементов, в частности кислорода. Однако активационный анализ на быстрых нейтро­ нах менее чувствителен, чем на тепловых.

Следует отметить, что вообще чувствительность активацион­ ного анализа зависит от многих факторов (плотности потока частиц, сечения активации, эффективности регистрирующей

рой в течение 150 или 1 ч дает 10 распад/сек. Результаты рас­ чета приведены в табл. 6.2. Они наглядно иллюстрируют значи­ тельно более высокую чувствительность нейтронного активаци­ онного анализа по сравнению с другими методами химического анализа (микрохимического, оптического и даже масс-спектро- скопического). Погрешность нейтронного активационного ана­

установлено достаточно точно. Высокая стоимость нейтронных

ядерный метод, основанный на активации заряженных частиц, менее универсальны. Поэтому на них мы не останавливаемся. Отметим лишь, что иногда эти методы обеспечивают большую чувствительность анализа и удобства определения, чем метод нейтронного активационного анализа. Например, при у-ак- тивационном анализе достигается большая чувствитель­ ность определения кислорода, чем при нейтронном активацион­ ном анализе. В качестве источника у-фотонов используют: тор­ мозное излучение электронных ускорителей и реакцию 160(у , п) ,5О(Р+,7У2=2,02 мин). Погрешность определения кис­ лорода около 10_4%.

Другой пример. Очень высокая чувствительноть опреде­ ления бора (10_7%) была достигнута при использовании про­ тонов с энергией 20 Мэе по реакции 11В(р, я )иС.

174

Методы анализа, основанные на взаимодействии излучений с веществом. К этой группе ядернофизических методов относят­ ся довольно разнообразные методы по физической сущности происходящих процессов.

На явлении резонансного поглощения нейтронов основан

175

нансного поглощения медленных нейтронов. Пучок нейтронов при резонансных энергиях, проходя через анализируемый ма­ териал, содержащий изотопы с резонансным поглощением нейтронов, ослабляется. По степени поглощения этого потока можно определить содержание элемента в материале. Этим методом определяют, например, содержание бора, используя

тором.

На регистрации нейтронов, образующихся при фотоядерных реакциях типа (у, п), основан фотонейтронный метод ана­ лиза. Выход нейтронов в этих реакциях пропорционален содер­ жанию элемента в анализируемом материале. Практически этот метод применим для анализа элементов, изотопы которых имеют относительно низкий порог реакции. К таким изотопам относятся, например, 2Н и 9Ве, для которых порог реакции составляет 1,67 и 2,23 Мэе. Поэтому при использовании у-фото- нов с энергией 2-—3 Мэе присутствие других элементов, имею­ щих изотопы с более высоким порогом реакции (у, п), не ме­ шает определению дейтерия и бериллия — метод оказывается для них довольно специфичным.

В последние годы усиленно разрабатываются методы ана­ лиза, основанные на явлении ядерного у-резонанса (ЯГР), т. е. использовании эффекта Мёссбауэра. Этот метод называется ЯГР-методом анализа. Перечень элементов, которые можно ана­ лизировать этим методом, пока невелик. Более всего разрабо­ таны, например, методы анализа олова и железа. ЯГР-метод обладает высокой чувствительностью, не уступающей чувстви­ тельности методов нейтронного активационного анализа. Он допускает автоматизацию анализа, что очень важно, и харак­ теризуется высокой экспрессностью.

Перечисленные методы основаны на взаимодействии излу­ чений с атомными ядрами. Однако существуют методы ана­

массы анализируемого элемента. Таким образом, по регистра­ ции потока рассеянных электронов можно производить анализ на содержание химических элементов. Этот метод называется

методом анализа по рассеянию электронов. В качестве источни­ ков электронов используют (3-активные изотопы. Для данного

176

Г л а в а 7

П Р И М Е Н Е Н И Е М Е ТО Д А И ЗО Т О П Н Ы Х И Н Д И К А Т О Р О В И И З Л У Ч Е Н И Й В П О Ч В Е Н Н О - А Г Р О Х И М И Ч Е С К И Х

И М Е Л И О Р А Т И В Н Ы Х И С С Л Е Д О В А Н И Я Х И И З Ы С К А Н И Я Х

§ 1. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ИЗОТОПНЫХ ИНДИКАТОРОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СОСТОЯНИЯ И СОРБЦИИ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВАХ

Метод изотопных индикаторов предоставил новые экспери­ ментальные возможности для изучения физико-химических про­ цессов в почвах: состояния и поведения веществ в почвах, их пространственного и химического распределения, динамики пе­ реноса и др.

Главное достоинство метода изотопных индикаторов заклю­ чается в том, что он позволяет проследить поведение вновь вво­ димого в почву меченого элемента на фоне ранее присутствую­ щего в почве того же, но не меченого элемента. А это имеет решающее значение для почвенно-агрохимических исследова­ ний. Например, метод изотопных индикаторов позволяет раз­ дельно определять поведение элементов питания растений, вно­ симых в почву с удобрениями и присутствующих в ней до внесе­ ния удобрений.

Рассмотрим ряд конкретных методов, которые могут быть использованы для изучения состояния и поведения веществ в почвах.

Определение содержания подвижной фракции (формы) пи­ тательного элемента в почве. При почвенно-агрохимических анализах одной из важных задач является определение запа­ сов подвижных форм питательных элементов в почвах. К ним относят такие химические формы и состояния питательных эле­ ментов, которые доступны для питания растений и входят в со­ став питательного фонда почвы. Подвижная форма питатель­ ного элемента должна быть легко растворимой в почвенных растворах, легко десорбируемой почвенными растворами, легко вступать в обменные реакции и процессы изотопного обмена.

К неподвижной форме питательного элемента относят та­ кие формы питательного элемента, которые находятся в прочно связанном состоянии, труднорастворимы, не вступают в обмен­ ные реакции и процессы изотопного обмена и практически мало доступны для растений.

178

В почвоведении и агрохимии подвижные формы питатель­ ных элементов определяют при помощи различных химических методик: производят однократное экстрагирование подвижной фракции элемента из почвы и устанавливают его содержание в полученной вытяжке. С агрохимической точки зрения к выби­ раемым экстрагирующим растворителям предъявляется следую­ щее требование: растворитель должен извлекать из почвы та­ кое количество подвижной фракции элемента, которое бы наи­ лучшим образом характеризовало запас усвояемой растениями фракции элемента. Конечно, такая оценка' усвояемых запасов питательных элементов в почве сугубо приближенна и условна. О степени усвояемости питательных элементов в почве, доступ­ ности их для растений могут дать «ответ» только сами расте­ ния. Однако и такая приближенная оценка часто бывает до­ статочной и целесообразной.

Применение химических методик для оценки подвижных фракций питательных элементов в почве имеет то преимущест­ во, что при этом не затрачиваются значительное время и труд на выращивание растений. Однако для более глубоких иссле­ дований условий питания растений необходима, конечно, по­ становка вегетационных или полевых опытов.

С появлением возможности использования в почвоведении и агрохимии изотопных методов начались поиски новых методик измерения подвижных и усвояемых растениями фракций пита­ тельных элементов в почвах.

Рассмотрим теоретические и экспериментальные предпосыл­ ки, лежащие в основе радиохимических методик определения подвижных фракций элементов в почвах.

Обозначим буквой М содержание подвижной фракции эле­ мента в заданной навеске почвы, Мн — содержание неподвиж­ ной фракции в той же навеске почвы. Тогда общая масса эле­ мента в исходной почве

Дополнительно любым способом введем в состав почвы неко­ торое количество элемента М* в легкорастворимой, а следова­ тельно, и подвижной форме, меченного радиоактивным изото­ пом-индикатором. Пусть общая активность вводимого меченого элемента равна А0, а его удельная активность

почву вместе с меченым элементом М* распределился в соста­ ве всех подвижных форм элемента в почве, в результате чего

179