Альфа-частицы спектроскопия

Для измерения гамма-излучения см. гамма-спектроскопию . Информацию об обнаружении бета-частиц см. в разделе « Жидкостный сцинтилляционный счетчик» .

Альфа-спектрометрия (также известная как спектроскопия альфа-частиц ) — это количественное исследование энергии альфа-частиц, испускаемых радиоактивным нуклидом, который является альфа-излучателем .

Поскольку испускаемые альфа-частицы являются моноэнергетическими (т.е. не испускаются со спектром энергий, например, при бета-распаде ), а энергии часто отличаются от энергии распада, их можно использовать для определения того, из какого радионуклида они произошли.

Экспериментальные методы

Пример того, как испускаемые моноэнергетические альфа-частицы на разных траекториях теряют энергию и, следовательно, вызывают уширение сигнала в линейчатом спектре. Все пути теряют энергию в воздух и окно детектора. Более длинные пути теряют больше энергии. Пути iii и iv также показывают потерю энергии, проходящей через сам исходный материал. Красные стрелки указывают величину энергии, с которой обнаружена частица.

Счет с источником, нанесенным на металлический диск.

Обычно каплю тестируемого раствора наносят на металлический диск, который затем высушивают для получения однородного покрытия на диске. Затем он используется в качестве тестового образца. Если толщина образовавшегося на диске слоя слишком велика, то линии спектра уширяются в сторону меньших энергий. Это происходит потому, что часть энергии альфа - частиц теряется при их движении через слой активного материала.

Жидкостная сцинтилляция

Альтернативным методом является использование жидкостного сцинтилляционного счетчика (LSC), при котором образец непосредственно смешивается со сцинтилляционным коктейлем . При подсчете отдельных событий светового излучения прибор LSC записывает количество световой энергии на одно радиоактивного распада событие . Альфа-спектры, полученные с помощью жидкостного сцинтилляционного счета, расширяются из-за двух основных ограничений метода LSC: (1) потому что случайное гашение уменьшает количество фотонов , испускаемых при радиоактивном распаде, и (2) потому что испускаемые фотоны могут поглощаться по мутным или окрашенным пробам ( закон Ламберта-Бера ). Спектры жидкостных сцинтилляций подвержены гауссову уширению , а не искажению, вызванному поглощением альфа-частиц образцом, когда слой активного материала, нанесенного на диск, слишком толстый.

Альфа-спектры

Зависимость интенсивности от альфа-энергии для четырех изотопов . Обратите внимание, что ширина линии узкая и видны мелкие детали.

Зависимость интенсивности от альфа-энергии для четырех изотопов. Обратите внимание, что ширина линии широкая и некоторые мелкие детали не видны. Это для подсчета жидкостных сцинтилляций, когда случайные эффекты вызывают изменение количества видимых фотонов, генерируемых за один альфа-распад.

Слева направо пики обусловлены ²⁰⁹ Po, ²³⁹ Мог, ²¹⁰ По и ²⁴¹ Являюсь. Тот факт, что такие изотопы , как ²³⁹ Пу и ²⁴¹ Наличие более одной альфа-линии указывает на то, что (дочернее) ядро ​​может находиться на разных дискретных энергетических уровнях .

Калибровка: MCA не работает от энергии, он работает от напряжения. Чтобы связать энергию с напряжением, необходимо откалибровать систему обнаружения. Здесь под детектором помещались различные источники альфа-излучения известной энергии и регистрировался пик полной энергии.

Измерение толщины тонкой фольги: Энергии альфа-частиц из радиоактивных источников измеряются до и после прохождения через тонкие пленки. Измеряя разницу и используя SRIM, мы можем измерить толщину тонкой фольги.

Кинематика альфа-распада

Энергия распада Q (также называемая значением Q реакции ) соответствует исчезновению массы.

Для ядерной реакции альфа-распада: ${\ce {^{A}_{Z}P -> ^{(A-4)}_{(Z-2)}D + \alpha}}$, (где P — материнский нуклид, а D — дочерний).

$Q{_{\alpha }}=(m_{P}-m_{D}-m_{\alpha })\ c^{2}$, или перевести в более часто используемые единицы: Q (М эВ ) = -931,5 Δ M ( Да ), (где Δ M = ΣM _{продуктов} - ΣM _{реагентов} ).

Когда образовавшиеся дочерний нуклид и альфа-частица находятся в своих основных состояниях (общих для альфа-распада), общая энергия распада делится между ними на кинетическую энергию (Т):

$Q_{\alpha }=T_{\alpha }+T_{D}$

Размер T зависит от соотношения масс продуктов и благодаря сохранению импульса (импульс родительского элемента = 0 в момент распада) его можно рассчитать:

$p_{\alpha }+p_{D}=0$

$T=0.5mv^{2}$ и $p=mv$, $\therefore p={\sqrt {2mT}}$

${\textstyle {\begin{aligned}{\sqrt {2m_{\alpha }T_{\alpha }}}&=-{\sqrt {2m_{D}T_{D}}}\\[4pt]2m_{\alpha }T_{\alpha }&=2m_{D}T_{D}\\[4pt]{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}T_{\alpha }&=T_{D}\end{aligned}}}$

${\begin{aligned}Q_{\alpha }&=T_{\alpha }+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}T_{\alpha }\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}1+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}{\frac {m_{D}}{m_{D}}}+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}{\frac {m_{D}+m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]\end{aligned}}$

$\therefore T_{\alpha }={\frac {m_{D}}{m_{P}}}Q_{\alpha }$

Альфа-частица, или ⁴ Ядро — особенно прочно связанная частица. Это в сочетании с тем фактом, что энергия связи на нуклон имеет максимальное значение вблизи А=56 и систематически уменьшается для более тяжелых ядер, создает ситуацию, когда ядра с А>150 имеют положительные _{значения Qα} для испускания альфа-частиц.

Например, один из самых тяжелых природных изотопов, ${\ce {^238U -> ^234Th + ^4He}}$ (игнорируя обвинения):

Q _α = -931,5 (234,043 601 + 4,002 603 254 13 – 238,050 788 2) = 4,2699 МэВ

Обратите внимание, что энергия распада будет разделена между альфа-частицей и тяжелой дочерней отдачей так, что кинетическая энергия альфа-частицы (T _α ) будет немного меньше:

T _α = (234,043 601 / 238,050 788 2) 4,2699 = 4,198 МэВ (обратите внимание, что это для ^238г Ты, чтобы ^234г Th-реакция, которая в данном случае имеет степень разветвления 79%). Кинетическая энергия отдачи ²³⁴ Дочернее ядро ​​T _D = (m _α / m _P ) Q _α = (4,002 603 254 13 / 238,050 788 2) 4,2699 = 0,0718 МэВ или 71,8 кэВ, что, хотя и намного меньше, все же существенно больше, чем у химических связей (< 10 эВ), что означает, что дочерний нуклид вырвется из любой химической среды, в которой находился родительский нуклид.

Пример того, как обнаруженная энергия альфа-частиц уменьшается с увеличением давления воздуха (справа налево).

Энергия отдачи также является причиной того, что альфа-спектрометры, хотя и работают при пониженном давлении, не работают при слишком низком давлении, так что воздух помогает остановить полное перемещение дочернего элемента отдачи от исходного альфа-источника и вызвать серьезные проблемы загрязнения, если дочери сами радиоактивны.

Значения Qα обычно увеличиваются с увеличением атомного номера, но изменение поверхности массы из-за оболочечных эффектов может подавлять систематическое увеличение. Резкие пики вблизи A = 214 обусловлены эффектами оболочки N = 126.