М.И. Афанасов и др. - Основы радиохимии и радиоэкологии (Практикум) (2012) (1133850), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Например, при=0 значение eQVzz равно разности расстояний между линиями 1-2 и 5-6 спектра (рис.10.3).Величина внутреннего поля зависит от различных структурных и электронных параметров: числа неспаренных d-электронов, характера химической связи резонансного атома, состава и геометрии катионного окружения и т.д. Таким образом, проявление сверхтонкого магнитного расщепления значительно увеличивает информативность мессбауэровских спектров, позволяя сделать выводы об особенностях электронной, кристаллохимической и магнитных структур изучаемых соединений.Одна из важных задач, которая может быть решена с помощью мессбауэровскойспектроскопии, – идентификация соединений и фаз, образующихся в тех или иныхпроцессах.
Значения химического сдвига , константы квадрупольного взаимодействия eQVzz и поля H можно рассматривать как основные параметры, позволяющиеидентифицировать соединения. К настоящему времени получены спектры огромногочисла веществ и соответствующие параметры приведены в справочниках международного центра “Mössbauer Effect Data Center”. Сопоставление полученных результатов с данными международной базы позволяет во многих случаях однозначно охарактеризовать состав и структуру локального окружения мессбауэровского атома, а также идентифицировать соединения мессбауэровских элементов.10.2. Получение мессбауэровских спектров соединений железа и олова.Цель работыПрактическое ознакомление с работой мессбауэровского спектрометра; определениестепени окисления и локального анионного окружения атомов железа (олова) в их соединениях.Оборудование и препаратыМессбауэровский спектрометр Ms-110Em (или МС1101Э).Источники резонансного -излучения: 57Cо(Rh) или Вa119mSnO3Стандартные поглотители для калибровки шкалы скорости: Na2[Fe(NO)(CN)5]2H2O;α-Fe; -Fe2O3.Исследуемые соединения железа (FeSO4, Fe2(SO4)3, K4[Fe(CN)6], K3[Fe(CN)6] и др.)или олова (SnO, SnO2, SnS2 и др.).
Контрольные образцы смеси этих веществ.73Выполнение работыНастоящая работа выполняется, как правило, на двух занятиях. На первом студентызнакомятся с устройством и работой спектрометра, методикой получения и обработкиспектров ЯГР, проводят калибровку скоростного диапазона. На втором проводят измерения и анализируют полученные спектры соединений железа или олова.1. Методика регистрации спектров ядерного гамма-резонансаМессбауэровские измерения проводятся на спектрометре Ms-110Em. Блок-схемаустановки представлена на рис.
10.4.Спектрометр функционирует в циклическом режиме: в пределах каждого цикладвижение модулятора (1) соответствует изменению скорости движения источника (2)от максимального отрицательного до максимального положительного значения. Каждому iтому каналу памяти накопителя (блок USB - 4) соответствует свой (задаваемый заранее) интервал скорости (v = vi). В результате каждый цикл скоростной развертки позволяет получить «элементарный» мессбауэровский спектр, представляющий собой зависимость числа импульсов Ni, прошедших через исследуемое веществопоглотитель (3) при скорости vi и зарегистрированных детектором (5), от номера канала.Пересчет номеров каналов (n) в шкалу абсолютных скоростей (, мм/с) осуществляется по калибровочным спектрамэталонных поглотителей с хорошоизвестной структурой сверхтонкогорасщепления ядерных уровней. Впрограмме управления спектрометром амплитуда скорости движенияисточника задается в относительных единицах.
Например, запись«сod30» может соответствовать амплитуде от – 10 до +10 мм/с. Спектрэталона позволяет получить графиклинейной зависимости в координатах « - n» и определить канал, соответствующий скорости =0. Значения изомерных сдвигов , полученные при обработке спектров исследуемых образцов, пересчитывают относительно центров тяжестиРис. 10.4. Блок-схема мессбауэровской установки.спектров эталонных поглотителей,1 – модулятор;2 –источник -излучения;3 – поглотитель; 4 – адаптер USB (электронные находящихся при комнатной57темпе-Fe (для спектров Fе) имодули драйвера модулятора, накопителя импуль- ратуре:119119сов, управления детектором); 5 – детектор; 6 - Ba SnO3 (для спектров Sn).. Для получения спектров исполькомпьютерзуются источники излучения:Ba119mSnO3 (спектрометрия 119Sn) и 57Co, внедренный в металлическую матрицу (Rhили Pd, спектрометрия 57Fе).
Гамма-кванты регистрируются детектором сцинтилляционного типа, состоящим из тонкого (0,5 и 0,15 мм в случае 119Sn и 57Fe, соответственно) кристалла NaI(Tl) и фотоэлектронного умножителя ФЭУ-93.74Интенсивность линий мессбауэровского спектра (а, следовательно, и качествоспектра) пропорциональна доле полезного (резонансного) излучения (см. уравнение(10.3)). Поэтому при мессбауэровском измерении выходные сигналы с ФЭУ «направляются» на вход дискриминатора (блок USB - 4), с помощью которого из общего фотонного спектра выделяются импульсы, отвечающие резонансным -квантам.
В случае 119Sn и 57Fe используются участки амплитудного спектра, включающие линии сэнергией 23,8 и 14,4 кэВ, соответственно.Исследуемые образцы (3) представляют собой порошкообразные вещества. Дляпроведения измерений их обычно помещают в кассету из органического стекла илизапрессовывают в алюминиевую фольгу.2. Подготовка спектрометра к работе2.1. Закрепить мессбауэровский источник на штоке драйвера, поместить исследуемыйобразец (поглотитель - 3) в держатель между источником и детектором. В навеске исследуемого вещества должно содержаться примерно 25-50 мг железа или 10-20 мголова (при площади поглотителя от ~2 до ~ 4 см2).2.2. Включить компьютер (при этом одновременно подается электропитание на модули блока USB, детектор и модулятор).
Включить блок USB.3. Программа управления спектрометром представлена ниже в сжатой форме. Необходимые детали подскажет преподаватель.3.1. Запустить управляющую программу Ms110Em.exe, которая обеспечивает управление всеми модулями спектрометра. При запуске на экране компьютера открываются 4 окна модулей (накопитель, дискриминатор, модулятор, криостат), из которых вкаждый момент времени активно только одно.3.2. Перейти в окно драйвера модулятора, в котором (по согласованию с преподавателем) выбрать и установить требуемую амплитуду скорости движения источника в зависимости от того, какое соединения предполагается исследовать. Нажать клавишу«пуск» - источник начнет движение по заданной программе.3.3. Перейти в окно дискриминатора, задать напряжение на ФЭУ и коэффициент усиления детектора.
Нажав клавишу «пуск», произвести измерение амплитудного спектра. Остановить набор и выделить, установив пороги дискриминации, рабочую область амплитудного спектра, отвечающую резонансным -квантам 14,4 кэВ (57Fe) или23,8 кэВ (119Sn). Повторить измерение, и убедившись в том, что окно сканированиявыбрано верно, остановить набор амплитудного спектра.3.4. Перейти в окно накопителя. Записать название спектра (имя файла). Для началанабора мессбауэровского спектра нажать клавишу «пуск».3.5. Для остановки процесса измерения нажать клавишу «стоп» в окне накопителя, идля страховки сохранить спектр (хотя файл спектра автоматически запоминаетсякомпьютером в процессе съемки).4. Получение спектров и расчет их параметровСпектры исследуемых соединений железа (олова) набирают в изложенной вышепоследовательности (см. п.п. 2 и 3).
Для математической обработки спектров используют различные программные приложения, например, UnivemMC. Краткое описаниеметодики обработки спектра получают у преподавателя.75По калибровочным спектрам эталонных поглотителей определяют номер канала,соответствующий нулевой скорости, и интервал скорости, приходящийся на 1 канал(«цена деления канала»).
Используя программное приложение и параметры калибровки, рассчитывают изомерный сдвиг, квадрупольное расщепление и площади линий спектра. Полученные значения параметров и сравнивают с литературнымиданными. Определяют степень окисления и возможный состав ближайшего анионного окружения мессбауэровских атомов.
Если в исследуемом поглотителе обнаруженонескольких химических форм мессбауэровского элемента, определяют их содержаниепо площади соответствующих спектральных компонент, учитывая при этом значениеf-фактора (уравнение (10.3)).76РАБОТА 11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ КАЛИЯ В СОЛЯХ И ПРИРОДНЫХОБЪЕКТАХ ПО ЕГО РАДИОАКТИВНОСТИЭлемент калий помимо двух стабильных нуклидов 39К и 41К (массоваядоля 93,08 и 6,91%), содержит такжерадионуклид 40К (0,012 %). Период полураспада 40К 1,28109 лет, то есть онсохранился на Земле с момента ее образования и является первичным естественным радионуклидом. При распаде40К с вероятностью 89,3 % испускаютсяβ-частицы с максимальной энергией1,314 МэВ и с вероятностью 10,7 % фотоны с энергией 1,46 МэВ (см.
схемураспада на рис. 11.1). Один моль приРис.11.1. Схема распада 40Kродного калия испускает каждую секунду 1089 β-частиц и 130 фотонов.Калий является биогенным (жизненно необходимым) элементом. В норме концентрация ионов калия во внутриклеточном цитозоле составляет 140160 ммоль/л, вовнеклеточной жидкости – 35 ммоль/л. От соотношения концентрации К+ и другихионов зависит состояние нервно-мышечной возбудимости, сократительная способность миокарда, секреция желез пищеварительного канала. Ионы калия необходимыдля функционирования многих внутриклеточных ферментов. Суточная потребностьчеловека в калии составляет 24 г, и полностью обеспечивается при нормальном режиме питания.В организме человека (массой 70 кг) содержится около 160 г калия, и радиоактивность 40К вносит заметный вклад во внутреннее естественное облучение человека(среднемировое значение ~1,54 мЗв/год), которое создается природными радионуклидами, попадающими с воздухом, пищей и водой внутрь организма.
При этом короткоживущие продукты распада вдыхаемого 222Rn создают около 60% дозы внутреннего облучения, далее следуют 40K (~13%), 220Rn и продукты его распада, 210Po, 14C,238U, 232Th и другие.Для техногенных и природных радионуклидов нормируются допустимые значения их содержания в пищевых продуктах, питьевой воде и воздухе (222Rn и 220Rn).Пределы поступления радионуклидов в организм с учетом их распределения по компонентам рациона питания и питьевой воде, а также с учетом поступления радионуклидов через органы дыхания нормируются так, чтобы соответствующий предел дозыоблучения населения составил не более 1,0 мЗв/год. Например, пределы годового поступления (ПГП) через органы пищеварения для 238U, 232Th и 226Ra ограничивают величинами 8,4, 2,2 и 0,67 кБк, для мягкого β-излучателя 14С – 630 кБк.
Для 40К в составе природной смеси изотопов ПГП не нормируется. Введено только ограничение в 24кБк при поступлении 40K дополнительно к природной смеси изотопов, равное годовому потреблению этого радионуклида человеком с пищей при нормальном питании.Содержание калия в некоторых продуктах и их удельная радиоактивность по40К приведены в табл. 11.1.77Таблица 11.1Массовая доля калия в некоторых продуктах (%) и их радиоактивностьПродуктыЧайКурагаКакао-порошокКофе в зернахФасольИзюмКедровые орехиШпинатГорох%2,481,881,691,601,101,020,780,770,73Бк/г0,760,570,520,490,340,310,240,240,22ПродуктыОрехи грецкиеКартофельГрибы белыеБананыМед пчелиныйКрупа гречневаяКрупа перловаяМука пшеничнаяКрупа рисовая%0,660,570,450,400,390,380,170,120,10Бк/г0,200,170,140,120,120,120,050,040,03Для идентификации 40К и определения его содержания в материалах и природных объектах обычно применяют γ-спектрометрию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
