ЛЕКЦИЯ 1 Обзор современных методов ядерных исследований
Ядерные методы анализа
Ядерные (атомно-физические) методы лабораторного анализа относятся к группе методов, позволяющих изучать тонкую структуру компонентных биопроб. Они основаны на взаимодействии с проникающими излучениями, эффект от которого проявляется на молекулярном и атомарном уровнях.
Ядерные методы используют различные проявления взаимодействия излучений с веществом, а также эффекты ядерных взаимодействий:
— явление радиоактивности, т, е. способности атомных ядер самопроизвольно или искусственно распадаться;
— излучения корпускулярного или электромагнитного потоков, формируемых под действием ряда физических факторов;
— явление ионизации вещества, которое используется для регистрации распределения ионных пакетов (пучков) в пространстве и во времени. При этом пакеты ионов формируются из молекул исследуемого вещества и разделяются в зависимости от отношения массы иона к его заряду;
— явления резонансов, наблюдаемые под действием переменных по частоте электромагнитных и магнитных полей. При этом регистрируются характерные спектры, отражающие структуру и состав вещества или зависящие от концентрации компонентов;
явление взаимодействия вещества с рентгеновским излучением, в результате которого регистрируются спектры рентгеновского излучения, отражающие состав исследуемых проб, или дифракционные картины, отражающие особенности структуры вещества;
— явление взаимодействия вещества с потоком электронов, лежащее в основе методов электронной микроскопии.
Основными видами излучений, используемых при ядерных методах лабораторного анализа, являются корпускулярные излучения (альфа- и бета-частицы) и электромагнитные излучения (рентгеновское и гамма-излучение). Эти излучения возникают при радиоактивном распаде, причем имеет место как распад ядер по одному из видов распада, так и одновременно по нескольким видам. Ядерные процессы протекают с выделением очень больших энергий. Если химические реакции требуют энергий порядка 10 эВ/атом, то ядерные реакции — тысячи и миллионы эВ/атом.
Скорость радиоактивного распада можно определить из выражения
(4.5)
где N — число распавшихся атомов; N0 — число атомов до начала распада; — постоянная распада, характеризующая вероятность распада на один атом в единицу времени t, определенная для любого элемента.
Другой величиной, характеризующей распад, является период полураспада ; T0,5 различных веществ колеблется от 10-6 до 1010 лет. Внешние условия не сказываются на экспоненциальном законе распада, что крайне важно в процессе измерений.
Различают три типа процесса взаимодействия вещества с излучением:
— фотоэлектрическое поглощение, сопровождающееся излу-чением кванта рентгеновского излучения при переходе электрона с внешней оболочки на внутреннюю за счет энергии фотоэффекта. Оно характерно для малых энергий и описывается уравнением:
,
где w — энергия связи электрона в атоме; — кинетическая энергия электрона.
При малых энергиях существенную роль начинает играть также релеевское рассеяние на связанных электронах атомов, и при определенных условиях может проявиться резонансное поглощение энергии внешних электрического и магнитного полей. Резонансные процессы поглощения и рассеяния оказываются существенными лишь в очень узких (резонансных) областях энергии, положение которых в энергетическом спектре индивидуально для различных элементов. Энергия рентгеновского характеристического излучения при этом невелика:
— комптон-эффект — упругое рассеяние кванта на свободном электроне — имеет место, когда энергия кванта значительно превышает энергию связи электрона. Часть энергии кванта передается электрону, который может быть выброшен из атома, при этом направление движения кванта может измениться на некоторый угол , а электрон тоже отклоняется от направления движения кванта на угол , в общем случае не равный Вероятность комптоновского рассеяния пропорциональна количеству электронов в атоме, т. е. атомному номеру вещества;
— образование пар электрон-позитрон, которое начинает проявляться при энергиях выше 1,022 , при этом избыточная энергия взаимодействующего кванта переходит в кинетическую энергию образовавшейся пары. Для того чтобы при образовании пары сохранялись энергия и импульс, процесс должен происходить в присутствии третьего тела — ядра или электрона, на котором рассеивается остальная часть энергии кванта. Процесс поглощения квантов по принципу образования пар главным образом происходит у тяжелых элементов.
Одной из важных характеристик взаимодействия излучения с веществом является проникающая способность, которая оценивается толщиной слоя двойного поглощения ,где — коэффициент поглощения. Ослабление излучения, создаваемое слоем вещества толщиной h, характеризуется кратностью ослабления . Величина ослабления зависит от угла падения излучения и уменьшается, если поток квантов направлен под углом к поверхности облучаемого объекта.
Достарыңызбен бөлісу: |
