Xem mẫu
- ----------
ĐỀ TÀI
HÓA PHÓNG XẠ VÀ PHÉP ĐO SỰ
PHÓNG XẠ
Giáo viên hướng dẫn :
Họ tên sinh viên :
----------
- 1
MỤC LỤC
6 .1. Khảo sát đại cương................................ ...................................................... 4
6 .1.1. Xử lý trước khi chiếu xạ ......................................................................... 5
6 .1.2. Hạt tải ................................................................................................ ..... 8
6 .1.3. Sự phân ly hoá học ................................................................ ............... 11
6 .2. Các phương pháp tách ................................ .............................................. 17
6 .2.1. Sự kết tủa.............................................................................................. 17
6 .2.2. Sắc ký trao đổi ion ................................................................................ 25
6 .2.3. Chiết xuất dung môi ............................................................................. 33
6 .2.4. Chưng cất và điện phân ................................ ........................................ 41
6 .3. Phân tích hạt nhân phóng xạ .................................................................... 53
6 .3.1. Phân tích định tính ................................................................................ 53
6 .3.2. Hiệu chuẩn định lượng.......................................................................... 55
6 .3.3. Phổ tia Gamma ................................ ................................ ..................... 59
6 .3.4. Electron biến hoán chất bán dẫn (semiconductor conversion-electron) và
phổ tia Gamma ............................................................................................... 75
6 .3.5. Đặc điểm phổ tia X ................................................................ ............... 79
6 .4. Tài liệu tham khảo ................................ .................................................... 83
6 .4.1. Tham khảo chung ................................................................................. 83
6 .4.2. Sự phân ly hóa học phóng xạ ................................................................ 84
6 .4.3. Thử nghiệm bức xạ kế .......................................................................... 85
- 2
PHẦN MỘT
Nhóm 6 : Võ Thị D ưỡng
Tôn Nữ Thuỳ My
Nguyễn Minh Hằng
Phan Thị Thuỳ Giang
Nguyễn Thanh Tùng
- 3
HÓA PHÓNG XẠ VÀ PHÉP ĐO SỰ PHÓNG XẠ
Hóa phóng xạ trong phép phân tích sự kích hoạt phóng xạ là một chủ đề gây
tranh luận đáng kể. Hóa phóng xạ đư ợc định nghĩa là sự áp dụng hóa học để nghiên
cứu sự phóng xạ. Với một nh à hóa học hạt nhân thì có thể xem phép phân tích kích
hoạt như là sự ứng dụng của hóa phóng xạ. Còn đối với những người khác, không
phải nhà hóa học, tiến h ành phép phân tích bằng sự phóng xạ và phép đo bức xạ có
th ể coi phép phân tích kích hoạt là một dạng của phép phân tích dụng cụ. Trong
phương pháp sau, việc xác định một nguyên tố phóng xạ là dùng đường đặc trưng
phóng xạ của đồng vị phóng xạ với nó.
Một số thuận lợi củ a phép phân tích kích ho ạt là sử dụng được ngay và th ực
h iện một cách khá chính xác với bất kì sự xử lí hóa học nào của vật mẫu trư ớc khi
chiếu xạ. Trong một vài trường hợp sự cách ly của nguyên tố phóng xạ là cần thiết.
Trong hóa phóng xạ, phép phân tích kích hoạt thường bao h àm luôn việc cách ly
của nguyên tố phóng xạ bằng sự phân ly h óa học. Tuy nhiên, trong một vài trường
h ợp, với sự cách ly hóa học, phép trắc phổ phóng xạ là cần thiết để đo từng đồng vị
phóng xạ. Vậy vấn đề của hóa phóng xạ trong phép phân tích kích hoạt là có nên sử
dụng hóa phóng xạ hay hạn chế, cái gì là tốt nhất cho sự khớp của việc xử lí mẫu, cả
hóa h ọc và dụng cụ, chúng sẽ đưa đ ến sự xác định thích hợp ở mức độ chính xác
với độ chính xác cao. Hai phương pháp này bổ sung cho nhau; hóa phân tích làm
phép đo phóng xạ dễ d àng hơn (trong một vài trường hợp việc khử cần cho phổ
phóng xạ) ngược lại phổ phóng xạ làm cho độ tinh khiết hóa học bớt khó khăn
(trong một số trường hợp việc khử cần cho một vài ho ặc bất kì xử lý hóa học).
Đó là điều hiển nhiên, ví dụ với phép đo thông lượng neutron nhiệt bằng việc
kích hoạt một lá vàng nguyên chất thì không cần tới việc xử lí để đo hoạt độ của
198
một sản phẩm duy nhất Au. Trong phương pháp khác, phép phân tích kích ho ạt
cho các nguyên tố trong phạm vi của độ nhạy có mặt trong ma trận mà d ễ được kích
hoạt và sự phóng xạ quan tâm bị che mờ đi trong sự nhạy của phổ kế phóng xạ cần
đ ến khả năng phân ly hóa học với độ tinh chế cao và có thể đo trong bộ đếm phóng
xạ phông thấp. Giữa các cực trị thì các phép phân tích kích hoạt có thể được thực
- 4
h iện bằng sự phân ly hóa học đơn giản và các phép đo phóng xạ thông thư ờng. Sự
phân ly hóa học đơn giản có thể là việc loại bỏ một trạng th ái của nguyên tố quan
tâm ho ặc có thể là việc loại bỏ một số lớn các nhân phóng xạ không quan tâm.
Thông thường với bất kì vấn đề nào, sự khảo sát cơ bản trong việc ước lượng sự
quan trọng giữa hóa phân tích và phân tích dụng cụ thì mức độ của độ nhạy cần
thiết và độ chính xác mong muốn (hoặc độ phân giải của tính không đơn trị) của sự
nhận biết nhân phóng xạ và việc lấy mẫu.
6.1. Khảo sát đại cương
Phép phân tích hóa phóng xạ có thể tính toán tới việc xác định đ ịnh tính cũng
như định lượng của hạt nhân phóng xạ bằng phép phân tích hóa học và phép đo
phóng xạ. Nó khác với phép phân tích hóa cổ điển là khối lượng của hạt nhân phóng
xạ tìm thấy thông thường không cân đ ược và nó không chỉ chứa một lượng lớn vật
liệu ban đầu mà còn có m ột vài hạt nhân khác.
Việc xác định hạt nhân phóng xạ trong nguồn có chứa các hạt nhân phóng xạ
khác thì thường thực hiện được bằng việc chọn một phương pháp có hiệu quả của
phép đo phóng xạ. Các phép đo n ày thường thực hiện được với độ chính xác cao.
Tuy nhiên, trừ trường hợp chiếu bức xạ neutron nhiệt vào một đồng vị của nguyên
tố ổn định, sự kích hoạt phóng xạ trong vật mẫu đó chứa hỗn hợp hạt nhân phóng
xạ. Việc xác định hạt nhân phóng xạ cần nhận biết tính chất một cách chính xác và
lựa chọn phép đo định lượng đặc biệt. Phổ năng lượng là một trong những phương
pháp đó.
Nếu trong vật liệu ban đầu có chứa hạt nhân phóng xạ ít hoạt động với một số
n guyên tố hoạt động thì việc xác định thường thực hiện hai bước sau:
1. Sự phân ly nguyên tố hóa học của hạt nhân phóng xạ.
2. Việc xác định đồng vị phóng xạ của nguyên tố bằng cách chọn phép đo
phóng xạ.
Đầu tiên là việc làm sạch một cách cẩn thận đến độ tinh khiết cao của nguyên
tố hoặc đơn giản h ơn là phân ly nhanh nhóm nguyên tố có tính chất hóa học tương
tự. Sau đó có thể đo hoạt độ phóng xạ trong một máy đếm đơn giản, việc đo hoạt độ
- 5
phóng xạ mức thấp bằng máy đếm phông thấp hoặc phân tích phổ năng lượng của
tia gamma. Tổng hợp một cách khách quan thì việc đo phóng xạ từ nhân phóng xạ
với sự có mặt của bức xạ từ hạt nhân phóng xạ và số đếm phông.
Hóa phóng xạ áp dụng phép phân tích hoạt độ phóng xạ, dùng tất cả các
phương pháp riêng của hóa phân tích . Tuy nhiên, với những hạt nhân phóng xạ có
khối lượng nhỏ trong vật mẫu có số đếm thay đổi. Đó không chỉ là việc điều khiển
n găn sự phân tích trọng lượng m à còn là giữ nguyên vẹn vật mẫu gây nguy hiểm
b ởi có thể mất nhân phóng xạ vào thành của hộp chứa hoặc vào vật liệu khác. Sau
đó tách riêng các tia phóng xạ trong sản phẩm phóng xạ không phải là đồng vị của
n guyên tố bia. Đó là lí do mà hóa phóng xạ trong phép phân tích phóng xạ thường
sử dụng phương pháp chất tải, đây là sự lựa chọn một lượng nguyên tố đồng vị có
th ể cân đư ợc để thêm vào với hạt nhân phóng xạ sau khi chiếu xạ. Phương pháp h ạt
tải của hóa phóng xạ thường cần các bư ớc sau:
1. Lấy mẫu.
2. Xử lý trước khi chiếu xạ (nếu cần thiết).
3. Chu ẩn bị cho việc chiếu xạ.
4. Sự phân hủy của vật mẫu bị chiếu xạ.
5. Việc th êm hạt tải.
6. Phân tích hóa học.
7. Tính toán ch ất pha chế.
6.1.1. Xử lý trước khi chiếu xạ
Lấy mẫu
Một trong những yêu cầu cơ b ản trong hóa phân tích là vật mẫu phải đặc trưng
cho vật liệu có chứa nguyên tố tìm kiếm. Yêu cầu này là đặc biệt quan trọng trong
việc ứng dụng mà vật chất là hỗn hợp dạng rắn, m à trong đó là sự phân bố kích
thước phần tử hoặc vật chất kết tinh có chứa miền giới hạn. Một vật mẫu “grab”
được lấy với giả định rằng vật liệu là đồng nhất, chì có th ể dùng để xác định cho sự
tập trung của một ít nguyên tố th ì chính xác nhưng không đặc trưng.
- 6
Kỹ thuật lấy mẫu đã được phát triển đáng kể ở khía cạnh nào đó. Quá trình lấy
m ẫu chuẩn đã được phát triển cho hầu hết các vật liệu. Việc thu mẫu cho phép phân
tích thì thay đổi với các vật liệu khác nhau và với từng trạng thái khác nhau của một
số vật liệu nh ưng thường gồm ba điều kiện sau:
1. Lấy một vật mẫu thực nghiệm từ nguồn vật liệu
2. Lấy các vật mẫu thật cho các phép phân tích từ vật mẫu thự c nghiệm
3. Kiểm tra các mẫu thật trước khi đem cân.
Việc đồng nhất của nguồn vật liệu là nhân tố cơ bản trong điều kiện đủ của vật
m ẫu thực nghiệm. Nếu nguồn vật liệu không ho àn toàn đồng nhất, phạm vi chú ý có
th ể b ị giới hạn trong mẫu thực nghiệm. Ngay cả sự chú ý lớn nhất có được sau khi
ước lư ợng mẫu thực nghiệm trong m ẫu thử cho phép phân tích. Sự nghiền, sự phân
hủy và các tính chất khác để tăng dần sự đồng nhất có thể cho kết quả trong sự làm
b ẩn của vật mẫu bởi các nguyên tố tìm thấy.
Khối lượng của các mẫu thử th ì cần đến một sự cân nhắc cho việc xử lí mẫu.
Một số vật mẫu có thể được cân như vậy. Số khác thì có th ể chứa lượng n ước thay
đổi được sấy ở 105-1100C trước khi đem cân hoặc việc xác định hơi nước có th ể
được thực hiên để biến đổi việc đo sự cô cạn từ cách thức trên đ ể sấy khô. Nếu tính
chất hóa học kết hợp nước được loại bỏ trong việc sấy khô, vật mẫu có thể cần đến
sự bốc cháy ở nhiệt độ cao để thu được mẫu với thành phần cấu tạo xác định. Sự
h ấp thụ CO2 và các khí khác b ằng mẫu tinh mặt đất cũng cần đư ợc quan tâm.
Số lượng vật mẫu tái tạo thì phụ thuộc nhiều vào mức độ của sự cô cạn và độ
chính xác mong muốn. Trong một số bản sao các th ành phần thử thì được làm từ hai
m ẫu ; trong các phần tử thử đơn lẻ khác thì được làm từ ba mẫu. Thông thường, độ
sai sót trong việc lấy mẫu phải thích hợp với độ sai sót trong tất cả các phép phân
tích trên.
Xử lý hóa học trước khi chiếu xạ
Đây gần như là tiên đ ề trong phép phân tích kích hoạt mà việc xử lí hóa học
cho một mẫu nhỏ trư ớc khi chiếu xạ là tuyệt đối bắt buộc. Vấn đề phải giải quyết ở
đ ây là khả năng nhiễm bẩn bởi việc thêm lư ợng dư thuốc thử để đánh dấu sự cô cạn
- 7
của nguyên tố quan tâm trong các mẫu thì d ễ d àng nh ận thấy. Đây cũng chính là lí
do mà việc xử lí hóa học trước khi chiếu xạ là rất cần thiết.
1. Các m ẫu quá lớn để chiếu xạ trong khi sự cô cạn cho lượng nhỏ mẫu chứa
quá ít các nguyên tố quan tâm. Việc biến đổi với số lượng lớn hoặc biến đổi về
th ể tích là rất cần thiết. Vật mẫu có thể bị tan hoặc phân rã và được cô đặc bằng
sự bay hơi hay b ởi các điều kiện hóa học.
2. Các m ẫu m à không đồng nhất để đạt được mẫu tiêu biểu cho việc chiếu xạ
thì việc xử lí để thu được mẫu đồng nhất có thể làm được nhờ máy móc hoặc hóa
chất.
3. Các m ẫu mà có ch ứa nhiều thành phần của sự hoạt hóa mà các nguồn phóng
xạ chứa mức độ nguy hiểm cho sự phóng xạ, hóa phân tích cho số lượng lớn thì
rất cần thiết trước khi kích hoạt.
Đó chính là các tiên đề mà trong các trường hợp kiểm tra số lượng lớn và quá
trình điều chỉnh chất lượng là cần thiết để đảm bảo rằng các mẫu không bị bẩn bởi
các vật liệu riêng và các quá trình hoạt động thì cần để xử lí.
Chuẩn bị cho việc chiếu xạ
Xử lí hay không xử lí các mẫu đ ược chuẩn bị để chiếu xạ bằng việc lựa chọn
một phương pháp tóm gọn. Phương pháp này có tính đ ến kích th ước và hình dạng
của mẫu, các yếu tố hình học với sự chú ý đến tia hoặc thôn g lượng chiếu xạ và sự
có m ặt của các tiêu chuẩn thích hợp, máy đo thông lượng và khoảng trống. Mẫu thì
thường ngưng tụ thành thể tích nhỏ nhất phù hợp với việc xử lí tối thiểu.
Sự phân hủy
Dung dịch các mẫu sau khi chiếu xạ thì b ị phân hủy trong hầu hết các phương
pháp tiện lợi mà bảo đảm không làm m ất các nguyên tố quan tâm, ví dụ: Iot (I) và
các nguyên tố khác dễ bay hơi có thể cần đến sự phân hủy của vật mẫu trong chu
trình khép kín. Dung d ịch mẫu hữu cơ có thể bị hòa tan trong nước.
Các dung d ịch hữu cơ ho ặc rắn có thể cần đến sự hóa tro để giải phóng các
n guyên tố đánh dấu vô cơ. Việc hóa tro này có th ể thực hiện khô hoặc ư ớt. Hóa tro
khô thì đơn giản nhưng nó có thể đưa đến việc mất các nguyên tố đánh dấu bởi sự
- 8
b ay hơi ho ặc có thể chuyển thành các thành ph ần chịu nhiệt. Hóa tro ướt, thường
dùng với HNO3, thì dài dòng hơn nhưng nó khắc phục được các vấn đề của hóa tro
khô.
Các vật liệu vô cơ có thể bị phân hủy trong dung dịch axit thích hợp; trong
một số trường hợp các nguyên tố quan tâm có thể có số lượng lớn được lọc ra từ lúc
đ ầu để cung cấp cho sự phân ly ban đầu từ số lư ợng lớn vật liệu. Các vật liệu chịu
nhiệt có thể bị phân hủy bằng hóa nhiệt. Axit riêng, bazo và thông lượng oxi hóa là
khả dụng cho từng vật liệu.
6.1.2. Hạt tải
Phương pháp hạt tải của hóa phóng xạ th ì tương tự như phương pháp đánh dấu
chất phóng xạ, trừ nhiệm vụ của chất đánh dấu là ngư ợc. Trong phương pháp đánh
d ấu một lượng rất nhỏ của một đ ồng vị phóng xạ được th êm vào hệ và được theo
dõi. Trong phương pháp h ạt tải, một lượng vật liệu trơ cần được thêm vào hệ m à
một vài ph ần hạt nhân bị phân chia. Trong trường hợp giả thiết rằng vật liệu chứa
h ạt tải và hạt nhân phóng xạ kết hợp đồng nhất trong suốt bất kì các quá trình sau.
Giả thiết này là hoàn toàn vững chắc cho hóa phân tích khi hạt tải và hạt nhân
phóng xạ là đồng vị với nhau. Nó cũng đủ vững chắc cho chất đánh đấu đồng vị và
h ạt tải khi không phải là đồng vị của nhau nhưng tính ch ất hó a học của chúng là
tương tự trong phương pháp đ ể sử dụng. Ví dụ, khi chiếu tia bức xạ proton vào hỗn
h ợp của Rubidium (Rb) và Cesium (Ce) có th ể sinh ra các hạt nhân phóng xạ của
185 133
n guyên tố kiềm thổ Ba. Canxi, một nguyên tố khác thuộc dãy kiềm thổ,
Sr và
có th ể đ ược dùng để loại bỏ 185Sr và 133Ba. Tuy nhiên, ph ản ứng riêng có thể tách ba
n guyên tố n ày ra khỏi nhau. Để đảm bảo hiệu quả của việc tách 185Sr từ 133Ba người
ta thêm các hạt tải là strontium (Sr) và barium (Ba).
Hóa học không có hạt tải
Một n guồn hạt nhân phóng xạ mà chức một lượng rất nhỏ ( thư ờng 1 g )
đồng vị bền của một vài nguyên tố được gọi là không có hạt tải. Một dung dịch của
n guồn thỉnh thoảng xuất hiện những tính chất khác thường; ví dụ một dung dịch
- 9
không có hạt tải của 64 -d85Sr có hoạt độ phóng xạ là 1 Ci thì nồng độ của Sr2+
được tính như sau:
64 24 60
2.22 10 6 dpm
D/
N 0.693
C
103 6.023 10 23
V N V N
C ; 5 10 10 M
Tại điểm có hoạt độ cực tiểu, ion có thể hấp thụ trên hầu hết bất kì h ạt vật chất
như bụi hoặc tấm chắn. Việc có mặt của một lượng microgram của hạt tải thì
thường đủ để ngăn sự mất mát bởi sự hấp thụ. Độ phóng xạ riêng thì đôi khi đ ạt
được độ mong muốn cao (ví dụ giảm sự mất mát do tự hấp thụ trong vật mẫu với tia
chiếu xạ yếu) và quá trình đó th ì không phụ thuộc vào khối lượng cũng như trao đổi
ion hoặc dung môi chiết xuất thì thường sử dụng cho hóa học không có hạt tải.
Tính chất của hạt tải
Để phù hợp cho phương pháp định lượng th ì một hạt tải thường yêu cầu phải
có 2 tính chất sau:
1. Nhân phóng xạ quan tâm được quan sát bằng tính chất hạt tải trong tất cả các
bước tách.
2. Hạt tải phải có đầy đủ tính chất như hạt nhân phóng xạ.
Tính ch ất đầu tiên thì quá rõ ràng. Với hạt tải đồng vị chỉ có ‘hiệu ứng đồng
vị’ (sự phân li của các đồng vị khác trong khối lượng nguyên tử) có th ể cô đặc. Việc
làm giàu 0.7% 235U trong tự nhiên lên tới 90% là một ví dụ cho việc ứng dụng hiệu
ứng đồng vị. Tuy nhiên, trong tất cả các phòng thí nghiệm thực nghiệm hiệu ứng
đồng vị không mấy quan trọng.
Tính chất thứ hai có tầm quan trọng đáng kể, đặc b iệt nếu hạt nhân phóng xạ
không phải là dung dịch ion khi thêm h ạt tải vào hoặc nếu nguyên tố có th ể thoát ra
trong một vài trạng thái oxi hóa; ví dụ sự kết tủa của hạt tải I khi đ ược thêm I- có th ể
lo ại bỏ tất cả các tia phóng xạ I trư ớc nếu trong dung dịch có mặt IO3. Trong trường
h ợp m à hạt nhân có thể thoát ra trong vài trạng thái oxi hóa n guyên tố (hạt tải và
đồng vị) thường là ch ất oxi hóa và giảm trong suốt sự oxi hóa của nó bằng chất
phản ứng phù hợp trước bất kì bư ớc tách n ào.
- 10
Sự cản trở hạt tải
Hạt tải thì rất hữu dụng cho các nhân phóng xạ không liên quan mà có tính
chất hóa học tương tự với nhân phóng xạ đang xét. Vì thế hạt tải được gọi là sự cản
trở hạt tải, trước khi chúng ngăn cản lượng nhỏ hạt nhân phóng xạ không liên quan
từ sự hấp thụ hoặc đ ược tải bằng nguyên tố. Sự cản trở hạt tải thì th ường sử dụng
cho nhân phóng xạ m à được hi vọng là sẽ sinh ra số lượng lớn các hạt nhân phóng
xạ mong muốn hoặc chia ra thành các nguyên tố đồng đẳng trong phương pháp mà
h iệu suất của sự phân ly không quá lớn.
H iệu suất hoá học
Phương pháp h ạt tải của hóa phóng xạ bao hàm việc xác định hiệu suất hóa
học. Nếu biết được lượng hạt tải thêm vào ( thường đơn vị là mg), sự phân ly của
h ạt nhân phóng xạ không cần định lượng. Cần chú ý đến việc phân ly nhanh của các
h ạt nhân phóng xạ có thời gian sống ngắn hoặc của sự phân ly cực trị tinh khiết cho
độ nhạy cực đại, phần bị mất của hạt nhân phóng xạ có thể chấp nhận được. Khi độ
phóng xạ riêng của hạt nhân phóng xạ là không đổi sau khi hòa trọn với hạt tải, tỉ số
hồi phục của hạt tải (hiệu suất hóa học) th ì cũng như tỉ số hồi phục của hạt nhân
phóng xạ.
Rõ ràng là lư ợng nguyên tố hạt tải có mặt trong một mẫu ban đầu thì nhỏ kết
h ợp với lượng thêm vào. Đây thường là trường hợp mà phép phân tích sự kích hoạt
sử dụng để đo chất đánh dấu bằng m icrogam hoặc lượng rất nhỏ.
Hiệu suất hóa học của sự phân ly thì được định nghĩa bằng việc đo lượng hạt
tải còn lại. Việc xác định này có thể được thực hiện bằng vài phương pháp sau:
1. Trọng lượng: m ặc dù phương pháp này có rất sớm nhưng lại không phổ biến
là vì hóa học có thể phân ly hạt tải. Trong vài trường hợp, hợp chất đ em cân có th ể
không đồng nhất, đó là do không xác đ ịnh được hoặc không biết sự tổng hợp, đặc
b iệt quan tâm tới nước kết tinh.
2. Thể tích hoặc trắc quang và các dụng cụ khác: những ph ương pháp này thì
thường đặc trưng hơn cho từng nguyên tố. Chúng cần cho sự lấy mẫu, chuẩn và
khoảng trống.
- 11
3. Bức xạ kế: dùng một lượng biết trư ớc của một đồng vị phóng xạ khác như
một chất đánh dấu cho hạt tải. Ph ương pháp này thì tiện lợi nhưng thường không
thích hợp. Bên cạnh những tính chất thông thư ờng của một chất đánh dấu phù hợp,
cụ thể là diễn biến hóa học tương tự, thời gian bán rã tương thích và dễ dàng đo sự
phóng xạ, chất đánh dấu không ảnh hưởng đến việc đo hoạt độ phóng xạ của nhân
phóng xạ đang xét. Một ví dụ cho kỹ thu ật này là phép phân tích hoạt độ của
vanadium V. Hạt tải của 52V (T1/2 = 3.7 phút) được sinh ra từ phản ứng 51V n, thì
V được đánh dấu bằng 49V( T1/2 = 330 ngày), mà phân rã hoàn toàn bằng việc bắt
electron và trước đó không có sự đóng góp từ việc đo đỉnh phổ của 52V. Sau đó 52V
đ ã b ị phân rã hoàn toàn, chất đánh dấu 49V thì được đo bằng ống đếm nhấp nháy.
4. Phép phân tích kích hoạt: phương pháp này sử dụng cho sản phẩm phóng xạ
có th ời gian sống ngắn. Sau khi đo phân rã hạt nhân phóng xạ, việc đếm vật mẫu m à
chứa hạt tải đư ợc phục hồi th ì được chiếu bằng cách tương tự như vật mẫu ban đầu.
Trước khi lượng hạt tải lớn hơn lượng nguyên tố đánh dấu ban đầu, thì giờ đây hoạt
độ phóng xạ sinh ra từ phép đo của lượng hạt tải có mặt trong mẫu đếm. Kỹ thuật
n ày đã được sử dụng để xác định hiệu suất hóa học của vanadium (V).
6.1.3. Sự phân ly hoá học
Sự phân ly hóa học là một phần của phương pháp hóa phóng xạ mà kết quả là
sự cách ly sản phẩm phóng xạ từ những nhân phóng xạ không phải là đồng vị được
sinh ra trong việc chiếu xạ ban đầu. Trong phương pháp hạt tải, quá trình này đư ợc
thực hiện bằng việc cách ly nguyên tố hạt tải thích hợp cho phép đo phóng xạ và
việc xác định hiệu suất hóa học.
Tài liệu của phép phân tích hóa học chứa rất nhiều phương pháp hóa học m à
sẽ tương ứng với việc tách bất kì nguyên tố nào. Mục 6.4 liệt kê một số h ướng dẫn
giới thiệu các phương pháp hóa phóng xạ rất đa dạng cho tất cả các nguyên tố.
Thoạt nhìn cơ sở cho một sự lựa chọn củ a một ph ương pháp cụ thể bởi một nh à
phân tích thiếu kinh nghiệm thực sự rất nhiều rắc rối. Tuy nhiên việc lựa chọn các
bước cụ thể trong phương pháp hóa phóng xạ nói chung thông th ường là tập hợp
các mục tiêu khi tách. Những mục tiêu này nói chung bao gồm :
- 12
1. Sự giảm khối lượng của vật mẫu đến mức tối ưu hoặc phù hợp với các điều
kiện của phép đo phóng xạ. Những điều kiện đó và hiệu suất cho trước sẽ xác định
được lượng hạt tải cần thêm vào. Ví dụ: vật mẫu cuối cùng có thể là một chất kết
tủa mỏng trên một giấy lọc để đếm beta, một thể tích dung dịch nhỏ để đếm tia
gamma trong một ống đếm nhấp nháy, hoặc một vật mẫu được phủ lên một lớp kim
lo ại để đo phổ anpha.
2. Sự cách ly nguyên tố hạt tải với độ tinh khiết hóa học và xác đ ịnh hợp phần
đ ể xác định hiệu suất hóa học. Vài lo ại khác của phương pháp cách ly có thể được
sử dụng để phân ly vài nhóm tạp chất. Các nguyên tố được phân ly từ tất cả các
phương pháp đó có th ể vẫn cần tới một bước khác để chuyển đổi nó thành một dạng
hóa học cho việc đo hiệu suất định lư ợng.
3. Sự phân ly hóa học của các sản phẩm nhân phóng xạ từ các nhân phóng xạ
không đồng vị khác, đặc biệt chúng có mặt trong hạt tải tự do hoặc nồng độ hoạt độ
riêng cao. Phép đo ho ạt độ phóng xạ cần phải đủ cao hơn hoạt độ phông để phù h ợp
với độ cính xác mong muốn của phép phân tích. Phổ phóng xạ có thể vẫn cần để đo
h ạt nhân phóng xạ với sự có mặt của các hạt nhân phóng xạ đồng vị của nó.
Độ hụt khối lượng
Sự hòa tan vật mẫu trước khi chiếu xạ và sự cân bằng của nhân phóng xạ quan
tâm với các hạt tải trong phương pháp phân ly ban đầu thường phân phối với sự
phân ly tổng cộng của các hạt tải từ dung dịch ban đầu. Một vài nhân tố ảnh hưởng
tới việc chon các phương pháp đó bao gồm thời gian bán rã và hoạt độ tổng cộng
của các nhân phóng xạ riêng lẻ. Để có đ ược các nhân phóng xạ có thời gian sống
n gắn thì phương pháp nhanh là rất cần thiết. Để được các nhân phóng xạ riêng lẻ
với hoạt độ thấp th ì sự phân ly diễn ra liên tiếp cho từng hạt tải là rất cần thiết.
Trong tất cả các trường hợp đó th ì chiến lược thường là lấy đi nguyên tố quan
tâm từ khối vật mẫu bằng các quá trình giảm khối lượng hoặc giảm thể tích như là
sự kết tủa, sự chiết bằng dung môi, sự trao đổi ion, hoặc sự cất. Sự lấy đi của khối
n guyên tố ban đầu thì thường được tránh đi trước khi nó có thể phân hạt hoặc kết
h ợp với việc lấy đi nhân phóng xạ quan tâm trong sự có mặt của hạt tải của nó. Sự
- 13
phân ly tốt của một nguyên tố hạt tải có thể lấy đi lượng nhỏ các nguyên tố ban đầu,
nhưng chúng thường b ị lấy đi trong sự phân ly sau đó.
Bên cạnh sự tinh chế riêng của nguyên tố hạt tải từ dung dịch ban đầu, sự giảm
khối lượng đến mg để hạt tải dễ dàng còn lại trong hoạt động hóa học trước khi
chúng có thể bị lấy ra ngoài trong thể tích nhỏ.
Trong một số phép phân tích kích hoạt riêng, sự phân ly ban đầu có thể đủ cho
độ cần thiết của sự phân l y hóa học đối với phép đo phóng xạ. Với những sản phẩm
kích hoạt có thời gian sống ngắn, tổng sự phân ly hóa học có thể đạt được trong thời
gian đo phóng xạ trước khi chúng phân rã. Ph ạm vi phát triển của phương pháp
phân ly nhân phóng xạ đã dần dần phát triển . Ví dụ: Sự phân ly hóa học của
14
N(T1/2=8 giây) đ ược sinh ra từ phản ứng 16O(n,p) đã được bằng quá trình cất trong
7 s, phương pháp thông thường cho sự phân ly nhanh hóa phóng xạ th ì để chuẩn bị
vật liệu bia trong hóa học và vật lý phù h ợp với sự hòa tan nhanh, trao đổi hạt tải và
đ ể giảm thời gian chuyển đổi từ sự chiếu xạ cuối đ ến khi bắt đầu sự phân ly. Hệ
thống truyền tải khí th ì thường sử dụng đối với sự cung cấp nhanh của vật bị chiếu
xạ cho phòng thí nghiệm hóa phóng xạ.
Sự cách ly hạt tải
Sự lấy đi của nguyên tố hạt tải từ một số lớn dung dịch ban đầu của kỹ thuật
phân li thì khả dụng. Việc lựa chọn thì thường được xác định bằng việc lấy đi các
n guyên tố không liên quan. Trong nhiều trường hợp có vài phương pháp tốt như
nhau thì phù hợp và sự lựa chọn cuối cùng được điều khiển bởi các nhà phân tích
thực nghiệm. Một số dạng thông th ường của sự phân ly bao gồm; sự kết tủa, trao
đổi ion, sự chiết bằng dung môi, sự cất và sự mạ điện. Nguyên lý của các phương
pháp này thì đ ược tổng hợp trong mục 6.2.
Giới hạn trong việc lựa chọn của các phương pháp phân ly thì thường được thí
n ghiệm duy nhất khi hạt tải của các nguyên tố tương tự được th êm vào lúc đầu. Ví
dụ: việc loại bỏ hạt tải Ba và Sr từ dung dịch ban đầu sẽ cần đến sự phân ly xảy ra
sau đó của hạt tải Ba và Sr trước khi chúng được tinh chế riêng lẻ.
- 14
Tiếp theo, sự phân ly của mỗi hạt tải xảy ra sau hoạt động hóa học có thể bị
lấy ra ngo ài b ằng việc sử dụng kỹ thu ật “ phân tích hóa học bán vi lượng”. Đây là
phương pháp duy nhất bao gồm lượng nhỏ mg thuốc thử. Các phương pháp như vậy
thì thư ờng được tiến hành trong một thể tích nhỏ (
- 15
Trong phân ly hóa phóng xạ, mức độ tách của hai hạt đồng vị phóng xạ hạt
nhân được xác định bởi hệ số làm sạch DF, được xác định bằng tỉ lệ độ phóng xạ
của hai hạt nhân trước và sau khi tách :
Ci Di
(2)
DF
C f Df
Trong đó :
Ci = Ho ạt độ ban đầu của h ạt nhân phóng xạ tác động,
Di = Hoạt độ ban đầu của hạt nhân phóng xạ mong muốn,
Và chỉ số dưới f ý nói nó là hoạt độ cuối cùng của hai nguyên tố sau khi tách.
Nhìn chung, hệ số làm sạch của 104 hoặc lớn hơn được tìm cho phương pháp
tách hạt nhân phóng xạ. Tuy nhiên, n ếu nguyên tố vi lượng tạo ra một hạt nhân
phóng xạ m à hoạt độ của nó chỉ được đo bằng phương pháp hóa phóng xạ mang lại
h ệ số làm sạch cao hơn mong muốn .
Ngoài những phương pháp tách cụ thể để loại bỏ nhân phóng xạ mong muốn
từ những hạt nhân phóng xạ động, phương pháp tách có thể được dùng để loại bỏ
những hạt nhân phóng xạ cụ thể từ hạt tải trong dung dịch. Chúng được gọi là quá
trình lọc, n ói chung chúng tham gia việc bổ sung thêm hạt tải thích hợp trong dung
d ịch và thêm các hạt tải để tạo th ành kết tủa. Các kết tủa mang hạt nhân phóng xạ
can thiệp đi loại bỏ. Kỹ thuật này thường đư ợc sử dụng trong chiết xuất dung môi
và sự phân ly trong dung dịch trao đổi ion.
Đối với phân tích kích hoạt của các nguyên tố vi lượng đến mức gần độ nhạy
cao nhất, kiểm tra nghiêm ngặt nhiều lần trong hóa phóng xạ đã được phát triển để
đo mức phóng xạ thấp nhất. Nếu ch ất kết dính hoặc những th ành ph ần nguyên tố
chính trong số lư ợng hạt nhân phóng xạ can thiệp, hệ số làm sạch khoảng 109 hoặc
cao hơn có th ể đ ược yêu cầu.
Hóa phóng xạ sơ cấp có th ể được định nghĩa là sự phân tách của hạt nhân
phóng xạ với tốc độ đếm tỉ lệ với tốc độ đếm của mẫu trắng. Những máy đếm
phông th ấp dùng đ ể đo mức phóng xạ thấp đã được mô tả trong mục 5.2.1. Như vậy
thông thường những phông đó giới hạn khoảng từ 0,2 đến 1cpm.
- 16
Mẫu trắng trong phân tích hóa học là một mẫu m à được xử lý tương tự mẫu
được phân tích. Mẫu trắng là ch ất thử thì đ ược sử dụng trong phân tích kích hoạt
khi xử lý mẫu trư ớc chiếu xạ là bắt buộc. Các mẫu trắng bắt đầu với cùng một
lượng của chất phản ứng hoặc nước khử ion hóa đư ợc sử dụng để hòa tan các mẫu
thực tế. Mẫu trắng theo đó sẽ cho biết nồng độ các nguyên tố từ phản ứng dùng
trong xử lý mẫu trước khi chiếu xạ và chất phóng xạ nào đó được đưa vào mẫu từ
các ph ản ứng và các h ạt tải xử lý trư ớc khi đo tổng bức xạ. Gần như tất cả các hóa
chất sản xuất đều có chứa một số phóng xạ từ hai nguồn là tự nhiên hoặc thử
n ghiệm vũ khí hạt nhân, m ẫu trắng thường có chứa một số phóng xạ. Trong m ột số
trường hợp, tốc độ đếm của mẫu trắng thường là lớn hơn một ít so với số đếm
phông. Cả h ai đ ều đóng góp vào tốc độ đếm của mẫu trắng nên ph ải trừ đi để có
được tốc độ đếm của mẫu. Các mức độ kích hoạt mà hóa phóng xạ sơ cấp thường
xác định hệ số của hoạt độ của mẫu trắng cộng với hoạt độ phông coi như không
đ áng kể.
Những lưu ý chính cho hóa phóng xạ ở mức sơ cấp (cũng thích hợp cho mức
cao cấp ) như sau:
1. Lựa chọn các thuốc thử và b iện pháp m à làm giảm số đếm phông của
m ẫu trắng.
2. Lựa chọn các biện pháp mà có hiệu suất hóa học cao và độ tinh khiết
của hóa phóng xạ cao.
3. Lựa chọn các điều kiện của nguồn để hiệu suất của nguồn đạt đến mức
độ tối đa.
Các phương tách hóa học phổ biến cho các mẫu có hoạt độ mức cao. Sự khác
b iệt giữa hai trong những hệ số được liệt kê ở trên đư ợc chú ý nhiều là cần thiết
trong việc lựa chọn thuốc thử và chất tải hoá học được nhắc lại nhiều trong các
bước tách cụ thể để đạt đ ược hệ số làm sạch cần thiết.
Sau khi đạt đư ợc sự tinh khiết yêu cầu chất tải được chuẩn bị phù hợp để đo
bức xạ. Phương pháp k ỹ thuật cho sự chồng chập và tăng lên trong số đếm của mẫu
là khác nhau. Cần xem xét đến nhiều yếu tố như là diện tích mẫu, khối lượng, lo ại
- 17
bức xạ, năng lượng của bức xạ và các lo ại mẫu trang bị phù hợp với các thiết bị dò
có sẵn.
Dung dịch đó có thể được làm bay hơi trên đĩa ho ặc trên tấm kim loại mỏng
tròn. Thông thường, quan tâm lớn nhất là tránh đổ mẫu ra ngoài và thu được các lớp
trầm tích dày đều nhau. Đối với các phép đo tia gamma, những dung dịch đó có th ể
được chuyển trực tiếp đến một lọ nhỏ tại đó thể tích chu ẩn của dung dịch được tính.
Một phương pháp phổ biến khác là làm kết tủa các h ạt tải và lọc chúng trên tờ giấy
lọc. Kết tủa được sấy khô sau đó đem cân để xác định sản lượng hóa học trư ớc khi
đ ặt vào phép đo bức xạ. Trong nhiều trường hợp hạt nhân phóng xạ có thể được m ạ
đ iện , hạt tải tự do hoặc một số lượng nhỏ hạt tải được phủ lên đĩa kim loại mỏng
của điện cực.
6.2. Các phương pháp tách
Nguyên tắc trong việc lựa chọn các phương pháp phân tách trong hoá phóng
xạ b ao gồm xem xét một số mục tiêu chung. Cho đến nay, trong hầu hết những ứng
dụng tính chất của những đồng vị phóng xạ can thiệp hoặc các thành phần vĩ mô
cần ph ải xem xét về tính chất hóa học cụ thể của chúng đối với các nguyên tố mong
muốn. Mặc dù một số lượng lớn các kỹ thuật được sử dụng trong phương pháp tách
b ằng hóa phóng xạ, nhưng số lượng thực tế sử dụng trong hầu hết các phân tách là
nhỏ. Chúng tham gia vào các quá trình chính cho việc xử lý ion vô cơ có nồng độ
th ấp . Đó là sự kết tủa (hoặc h iện tượng lắng ), sắc ký trao đổi ion và chiết xuất dung
môi. Đối với một số kỹ thuật chưng cất và mạ điện cũng đư ợc sử dụng phù hợp với
hóa phóng xạ.
6.2.1. Sự kết tủa
Sự kết tủa là k ỹ thuật hóa học cổ điển nhất dùng cho tách bằng hóa học. Cơ sở
đ ể phân tích trọng lượng là việc xác định số lượng của vật chất đã biết thành phần
b ằng cách cân kh ối lượng của chúng. Nếu kết tủa đ ã bị hòa tan, có thể xác định
được bằng cách phân tích thể tích là phép đo số lượng bằng sự chuẩn độ với một
lượng cân bằng hóa học của ch ất phản ứng. Sự phân tách kết tủa là phương tiện chủ
- 18
yếu trong những phương pháp tách hóa phóng xạ được thích nghi từ phân tích hóa
học thông thường.
Sự kết tủa có thể được định nghĩa là sự lắng xuống của chất rắn từ một dung
d ịch do hoạt động của một tác nhân được th êm vào như là: một thuốc thử hóa học,
nhiệt, điện, hoặc năng lượng âm. Cơ ch ế của sự kết tủa là phức tạp. Rõ ràng sự hình
thành của pha chất rắn sau quá trình cấu tạo nên hạt nhân không hoàn toàn được
h iểu rõ. Dung dịch đã biết chứa tập hợp phân tử ( phôi tinh th ể ) của các chất tan
được phân tán ngẫu nhiên kh ắp dung môi. Những tập hợp đó trải qua hình thành
liên tục, và sự hòa tan đó cân b ằng với dung môi xung quanh. Nếu tập hợp phân tử
có kích thước giới hạn vượt quá thì tập hợp những phân tử đó trở thành tinh th ể và
tinh th ể n ày tiếp tục phát triển. Quá trình cấu thành hạt nhân đòi hỏi một dung dịch
b ão hòa nghĩa là một trong những sản phẩm hòa tan của lượng chất tan bị vượt quá.
Tốc độ của kết tủa xảy ra phụ thuộc một phần vào m ức độ bão hòa. Nhiều yếu tố
khác ảnh hưởng đến độ tinh khiết, tính chất đầy đủ, và tỷ lệ của chất kết tủa. Trong
số đó là nồng độ tạp chất, loại tác nhân kết tủa sử dụng, số lư ợng vượt quá tác nhân
sử dụng, n hiệt độ, và tỉ lệ khuấy.
Ảnh hưởng của tỷ lệ kết tủa có thể đư ợc chia th ành hai loại : kết tủa chậm và
kết tủa nhanh. Sự kết tủa ở mức chậm được mong muốn cho sự phân ly trong phân
tích, sau đó thông thường kết quả của sự hình thành là một lượng lớn tinh th ể.
Những tinh th ể đó chiếm một thể tích nhỏ hơn, ít làm bẩn dung dịch và d ễ dàng lọc
và rửa sạch kết tủa chậm có thể được thực hiện theo hai cách:
1. Bằng cách thêm một dung dịch loãng d ần dần của ch ất làm kết tủa rồi từng
bước khuấy lên từ từ để làm ấm hoặc làm nóng dung dịch.
2. Bằng cách thêm chất kết tủa gián tiếp từ dung dịch ví dụ như là kết quả thủy
phân của chất phản ứng này.
Phương pháp đầu tiên làm tăng số lượng kết tinh lại trong suốt quá trình thủy
phân của chất kết tủa, trong khi kết quả phương pháp thứ hai trong cấu tạo hạt nhân
cho một số lượng nhỏ tinh thể, cả hai quá trình d ẫn đến sự hình thành các tinh th ể
- 19
lớn. Phương pháp thứ hai đ ó được gọi là sự kết tủa từ các dung d ịch đồng nhất và
một số ví dụ được liệt kê trong b ảng 6.1.
Bảng 6.1 Tóm tắt các phương pháp kết tủa mà sử dụng từ dung dịch đồng
nhất.a
Chất kết tủa Chất phản ứng Nguyên tố kết tủa
Hydroxide Urea Al, Ga, Th, Fe(III),
Sn, Zr
Axetat Ti
Hexamethylenetetramine Th
Hợp chất kim loại và H2O2 Fe(III)
Phosphate Triethyl phosphate Zr, Hf
Trimethyl phosphate Zr
Axít Metaphosphoric Zr
Urea Mg
Oxalate Dimethyl oxalate Th, Ca, Am, Ac,
kiềm thổ
Diethyl oxalate Mg, Zn, Ca
Urea và một oxalate Ca
Sulfate Dimethyl sulfate Ba, Ca, Sr, Pb
Axít Sulfamic Ba, Pb, Ra
Kali methyl sulfate Ba
Ammonium persulfate Ba
Hợp chất kim loại và persulfate Ba
Sulfide Thioacetamide Pb, Sb, Bi, Mo, Cu,
As, Cd, Sn, Hg, Mn
Iodate Iodine và chlorate Th, Zr
Periodate và ethylene diacetate Th, Fe(III)
(hay - hydroxyethyl acetate)
Ce(III) và bromate Ce(IV)
Kiềm thổ, Ba, Ra
Carbonate Trichloroacetate
Chromate Urea và dichromate Ba, Ra
Kali cyanate và Ba, Ra
Dichromate
Cr(III) và bromate Pb
Periodate Acetamide Fe(III)
Ag ammonia phức tạp và -
Chloride Ag
Hydroxyethyl acetate
Asen Asenit và nitrate Zr
Tetrachlorophthalate Axít Tetrachlorophthalic Th
Urea và hợp chất kim loại
Dimethylglyoxime Ni
Urea và hợp chất kim loại
8-Hydroxyquinoline Al
Florua Axít Fluoboric La
a
Từ I. M. Kolthoff, P. J. Elving, và E. B. Sandell, Treatise on Analytical Chemistry,phần 1, quyển
1, trang 741 (Wiley-Interscience, New York, 1959). Phương pháp được cho bởi L. Gordon, M. L.
Salutsby, và H.H. Willard, Precipitation from Homogeneous Solution (Wiley, New York, 1959).
nguon tai.lieu . vn
