М.И. Афанасов и др. - Основы радиохимии и радиоэкологии (Практикум) (2016) (1133852), страница 23
Текст из файла (страница 23)
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 внутреннегооблучения, 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 пределдозы облучения населения составил не более 1,0 мЗв/год.
Например, пределы годового поступления (ПГП) через органы пищеварения для 238U, 232Th и 226Ra ограничиваютвеличинами 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 в24 кБк 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 по 40Кприведены в табл. 11.1.89Таблица 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.
Вместе с тем, в ряде случаевопределить радиоактивность 40К можно и по его β-излучению, в частности, с помощью счетчика Гейгера-Мюллера. В этом случае для правильной постановки эксперимента надо учитывать следующие обстоятельства:1. Счетчик Гейгера-Мюллера регистрирует с той или иной эффективностью любоеионизирующее излучение, проникшее внутрь детектора.
Наивысшая эффективностьрегистрации (до 100%) достигается для β- и -частиц. Однако проникающая способность -излучения очень мала, и для полного поглощения -частиц природных радионуклидов исследуемый препарат достаточно экранировать плотной бумагой. Эффективность счетчиков Гейгера-Мюллера к γ-излучению не превышает, как правило, 1%.Таким образом, хотя при интерпретации полученных результатов следует учитывать возможный вклад в скорость счета - и -излучений других радионуклидов, существенно исказить измерение активности 40К может только наличие в образце βизлучающих нуклидов.2. Скорость счета β-излучения пропорциональна концентрации радионуклида, еслииспользовать препараты с толщиной, равной или больше ¾ максимального пробегаβ-частиц в веществе (см.
раздел 2.1, метод насыщенных слоев, уравнение 2.5). Так какчерез слой 0,75Rmax проходит менее 1% β-излучения, то в случае 40К это условие регистрации выполняется для препаратов с толщиной более 0,45 г/см2. Таким образом, дляизмерения скорости счета солей калия можно использовать препараты толщиной около 2 мм, для порошкообразных образцов с насыпной плотностью более 0,4 г/см3 толщиной 1 см. При этом измерение серии препаратов необходимо проводить в одинаковых условиях (в частности, использовать препараты одинакового размера и толщины), соблюдая постоянство коэффициента регистрации .Цель работы. Определение содержания калия в ряде солей неизвестного состава иидентификация этих соединений.
Оценка содержания калия в пищевых продуктах.Оборудование и материалы:Радиометр с торцовым счетчиком Гейгера-Мюллера.Кюветы для измерения.Набор солей калия.Пищевые продукты (кофе, чечевица и др.)90Выполнение работы.1. Измеряют фон радиометрической установки.2. Измеряют скорость счета (Ic,,i) препаратов солей калия известного состава: KCl,KIO3, K2Cr2O7, K2CrO4;3.
Измеряют скорость счета (Iпр,1) одного из трех препаратов солей калия неизвестного состава (номерами 1,2,3 могут быть зашифрованы K2SO4, KBr, KNO3);4. Измеряют радиоактивность (Iпр,2 и Iпр,3) двух препаратов пищевых продуктов (кофе,чай, чечевица, изюм, фасоль, гречневая и рисовая крупа);5. Измеряют скорость счета препарата зерна, выращенного на территории с повышенным содержанием 90Sr и 137Cs.Все измерения проводят 4 раза, продолжительность каждого 100 с.6.
Рассчитывают средние значения скорости счета (имп/с) для солей калия известногосостава (Īс,i,), фона (Īф), а также солей калия неизвестного состава и пищевых продуктов (Īпр,i). Для каждого препарата находят средние значение скорости счета за вычетом фона: Īэт,i = Īс,i Īф и Īx,i = Īпр,i Īф. Рассчитывают погрешности (,t) определенияĪэт,i и Īx,i для 95%-ной доверительной вероятности, используя уравнения (1.19, 1.26 и1.33) и табл. П.2.7. Для серии солей известного состава строят график зависимости Īэт,i от процентногосодержания в них калия (эт.,i). Определяют коэффициент B линейной зависимости:Iэт.= B8. Вычисляют содержание калия (i, %) в соли неизвестного состава и в пищевыхпродуктах:i = (Īпр,i Īф)B19. Рассчитывают доверительную погрешность полученных значений i.10.
Используя значение массовой доли калия в неизвестной соли, определяют ее химический состав.11. Сопоставляют найденные значения i в пищевых продуктах с данными табл. 11.1и делают вывод о возможности применения используемой методики для оценки содержания калия.12.
Определяют содержание калия в зерне, выращенном на загрязненной 90Sr и 137Csтерритории (авария на Чернобыльской АЭС). Сравнивают полученный результат сданными табл. 11.1. Объясняют, почему рассматриваемую методику нельзя применять для определения содержания калия в образцах, загрязненных техногенными радионуклидами.91РАБОТА 12. ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛМЕТОДОМ РАДИОАКТИВНЫХ ИНДИКАТОРОВРадиоактивные индикаторы – удобный, а в ряде случаев единственный методизучения адсорбции веществ на различных поверхностях и границах раздела фаз.
Дляисследования адсорбции органических веществ обычно применяют радионуклиды смягким β-излучением (3H, 14C, 35S), правила работы с которыми изложены в работе 7.Радиоактивность в этом случае измеряется с помощью жидкостных сцинтилляционных (ЖС) спектрометров, которые позволяют регистрировать радиоактивность от1Бк.Используя радионуклиды, количество вещества, адсорбированного твердым теломиз раствора, можно определять двумя способами:1) по радиоактивности твердой фазы;2) по изменению удельной радиоактивности (концентрации) раствора адсорбата.В первом случае количество адсорбированного вещества определяют непосредственно по радиоактивности твердой фазы, и при использовании соединений с высокой удельной радиоактивностью могут быть обнаружены сверхмалые количества адсорбата. Например, для содержащего тритий соединения с удельной радиоактивностью 1 ТБк/ммоль (в каждой молекуле один атом трития) с помощью ЖС спектрометрии можно определить до 10-15 моль адсорбированного вещества.
Объектами исследования являются, как правило, вещества с малой адсорбционной емкостью, например, полимерные пленки. Максимальная эффективность регистрации излучения с помощью ЖС спектрометра в этом случае достигается тогда, когда пленки прозрачныдля видимого света.Если адсорбция определяется по радиоактивности твердой фазы (например, полимерной пленки), то адсорбент отделяют от раствора, помещают во флакон с жидкимсцинтиллятором и измеряют скорость счета. Адсорбцию Г (мг/м2) рассчитывают поформуле:I(12.1), m Ауд S удгде I – скорость счета (за вычетом фона) адсорбента (имп/мин); Aуд. - удельная радиоактивность меченого соединения в расп./(мин∙мг); m – масса адсорбента (г); Sуд.
– удельная поверхность адсорбента (м2/г); - эффективность регистрации -излучения (см. ниже).Следует отметить, что для объективного измерения адсорбированной радиоактивности необходимо тщательно планировать и проводить эксперимент, в частности,учитывать возможность десорбция вещества при отделении адсорбента и промыванияего от остатков раствора.Во втором случае адсорбцию Г (мг/м2) определяют по разности концентраций исходного и равновесного раствора адсорбата:c c V 0(12.2),m S удгде со и с – начальная и равновесная концентрация раствора (мг/мл), V – объем раствора(мл), m - масса адсорбента (г), Sуд- удельная поверхность адсорбента (м2/г).Равновесную концентрацию раствора адсорбата, которая пропорциональна92удельной радиоактивности этого раствора, вычисляют по скорости счета (за вычетомфона) его аликвотной части V1, используя зависимость вида:IIc об .(12.3), V1 Ауд Ауд.где I – скорость счета (имп/мин) раствора адсорбата объемом V1 (мл); Iоб.
– объемная скорость счета (расп./минмл) равновесного раствора адсорбата; Aуд. - удельная радиоактивностьадсорбата в расп./(мин∙мг); ε – эффективность регистрации β-излучения.Таким же способом, измерив объемную скорость счета раствора до внесения адсорбента, можно установить и начальную концентрацию с0. Однако значение с0 обычнорассчитывают, зная массу адсорбата и объем исходного раствора.Необходимо отметить, что надежное определение величины адсорбции по способу 2) возможно только в случае значительного (более 10%) изменения концентрациираствора, так как относительная погрешность измерения радиоактивности может достигать нескольких процентов.
Как правило, таким способом определяют адсорбциюна пористых и порошкообразных веществах с развитой поверхностью: активированном угле, силикагеле, гидроксиаппатите и др. При этом желательно использовать небольшие объемы раствора адсорбата.При изучении адсорбция меченных тритием и/или углеродом-14 соединений с помощью ЖС спектрометра RackBeta 1215 эффективность регистрации можно установить с помощью «калибровочной кривой гашения» – зависимости эффективности регистрации β-излучения трития (углерода) от отношения скорости счета в энергетических каналах спектрометра. Проведение калибровки прибора описано в практическойработе 8.
В настоящей работе можно использовать калибровочные кривые, приведенные на рис. 12.1, которые получены для жидких сцинтилляторов на основе диоксана(«Брей», ЖС-8), толуола (ЖС-106, ЖС-7А), ксилолов (OptiPhase, Ultima Gold).Рис. 12.1. Кривая гашения для определения эффективности регистрации -излучениятрития (1) и углерода-14 (2) при измерении радиоактивности с помощью ЖСспектрометра RackBeta 121593Цель работыПостроить изотерму адсорбции поверхностно-активного вещества, меченного тритием или углеродом-14, на одном из высокопористых адсорбентов.Оборудование, материалы и реактивыЖидкостной сцинтилляционный спектрометр, сцинтилляционная жидкость, флаконы,центрифуга, шейкер, весы, микродозаторы переменного объема и наконечники к ним,микропробирки с крышкой типа Эппендорф.Раствор поверхностно-активного вещества (додецилсульфат натрия, бромид додецилтриметил аммония, альбумин и др.), меченного 3H или 14C; адсорбент (активированный уголь, мезопористый силикагель и др.); дистиллированная вода или другой растворитель (в зависимости от исследуемого вещества).Выполнение работы1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
