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 ; T_0,5 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.