Emise elektronů z jádra Au

Elektronovým obalem atomu se zabývá atomová fyzika. Soustava spektrálních čar daného plynu je pro každý druh atomů jedinečná.

• Spojité spektrum - zahřáté těleso.
• Čárové spektrum - plyn nebo zahřáté páry kovů, v nichž probíhá elektrický výboj.

Při přechodu z vyšší energetické hladiny E_n na nižší energetickou hladinu E_m vyzáří kvantum energie o frekvenci f_nm.

Elektronový obal atomu

Atom se může nacházet pouze v kvantových stavech s určitou hodnotou energie. Při přechodu do stavu s nižší energií může atom vyzářit kvantum elektromagnetického záření (foton). Každý atom vyzáří foton o energii E při přechodu z vyššího (excitovaného) stavu do nižšího.

Maximální počty elektronů ve slupkách:

• Slupka K - max. 2 elektrony
• Slupka L - max. 8 elektronů
• Slupka M - max. 18 elektronů

Modely atomu

Thomsonův model atomu (hrozinkový model): atom považoval za neutrální s rozměry 10^-10 - 10^-9 m, kladný náboj rozmístěn všude, záporný je v něm.

Čtěte také: Vše o emisních normách

Rutherfordův model atomu: ostřeloval Au fólii α částicí a na stínítku pozoroval odchýlení částic - použití vztahů pro elektrické síly ⇒ dochází k rozptylu záření ⇒ závěr - značná část hmoty je soustředěna v malém jádru.

Jaderné reakce a emise záření

Přijímaná nebo odevzdávaná energie je kvantována, protože každé částici lze přiřadit pouze diskrétní hodnoty vlnové délky.

Pokud je energie elektronu menší než potřebné kvantum (4,98 eV) nemohou ji atomy pohltit a srážky jsou pružné, zároveň v důsledku hmotnosti atomu rtuti nemohou elektrony atomy excitovat. Pokud elektron dosáhne excitační energie 4,98 eV začnou atomy rtuti kvanta E pohlcovat, elektrony zpomalí. Při vyšším napětí zbude elektronům energie a atomy se excitují. Excitované atomy rtuti se během krátké doby vracejí do základních stavů a vyzáří foton o specifické vlnové délce.

Metoda NAA (Neutron Activation Analysis)

Metoda NAA je založena na ozařování analyzovaného materiálu neutrony. Reakční produkty, které můžeme měřit jsou buď záření emitované okamžitě po záchytu neutronu nebo indukovaná radioaktivita, jsou-li vzniklá jádra radioaktivní. Proces tzv. radiačního záchytu neutronu (n,γ) ukazuje vznik vysoce excitovaného složeného jádra s dobou existence řádu 10^-14 s, jeho přeměnu na radioaktivní jádro, které se dále přeměňuje emisí záření α, β^-, β⁺ , záchytem elektronu nebo vnitřní konverzí. Výsledné jádro může být stabilní nebo radioaktivní.

Vzniklé jádro je radioaktivní a přeměňuje se emisí záření na excitované stavy stabilního jádra. Následuje emise „zpožděného“ záření γ, čímž dojde k deexcitaci jádra do základního stavu. V zápisu reakce se „γ“ vztahuje k promptnímu záření složeného jádra, ne k emisi záření γ radioaktivního jádra. Schematické znázornění emise „zpožděného záření γ“ je uvedeno na obrázku.

Čtěte také: Více o pamětních emisích

Většina radionuklidů vzniklých při aktivaci neutrony jsou smíšenými β-γ zářiči. K měření vzniklé radioaktivity se pro své výhodné vlastnosti převážně užívá spektrometrického měření záření γ polovodičovými detektory z vysoce čistého germania (High Purity Germanium - HPGe).

Z rovnice vyplývá, že velikost naměřené aktivity A, a tedy i citlivost stanovení prvku metodou NAA, je přímo úměrná celé řadě parametrů, z nichž mají největší význam hodnoty Φ (neutronový tok) a σ (účinný průřez reakce).

Zdroje neutronů:

• z izotopových zdrojů, např. ²²⁶Ra(Be), ¹²⁴Sb(Be), ²⁴¹Am(Be), ²⁵²Cf. Celková emise neutronů do prostorového úhlu 4 π činí zpravidla 10⁵ -10⁷ s¯¹ GBq¯¹ nebo pro ²⁵²Cf je tato hodnota 2,2·10¹² s¯¹ g¯¹.
• z urychlovačů částic nebo neutronových generátorů. Typické výtěžky neutronů z generátorů jsou 10⁸ - 10¹¹ s¯¹ do 4 π.
• z experimentálních jaderných reaktorů. Energetické spektrum neutronů závisí na konstrukci reaktoru a jeho ozařovacích zařízeních.

Kalibrace je založena na stanovení faktoru úměrnosti, F, mezi počtem impulzů v píku po odečtu pozadí Np při spektrometrickém měření záření γ a množstvím prvku ve vzorku, mvz, za daných experimentálních podmínek, F=Np/mvz.

Pracovně nejjednodušší variantou NAA je nedestrukční, tzv. INAA. Dříve to byly monokrystaly germania driftované lithiem - Ge(Li) detektory, dnes se výhradně používají monokrystaly z vysoce čistého germania - High Purity Germanium - HPGe detektory. Tyto detektory mají při teplotě kapalného dusíku vynikající energetické rozlišení pro záření γ a v součinnosti s dalšími elektronickými moduly spektrometru záření γ umožňují při použití moderního programového vybavení i ve složitých spektrech identifikovat a kvantifikovat jednotlivé radionuklidy. Spektrometrické interference lze vhodným způsobem korigovat nebo i eliminovat.

Čtěte také: CIM Ministerstvo Emise: Vysvětlení

Pracovní postup spočívá v zabalení vzorků do polyethylenových (PE) pouzder, v nichž se aktivita vzorků také měří. PE obsahuje jen velmi málo nečistot, které se aktivují neutrony, takže hodnota slepého pokusu (blanku) z PE obalu je ve většině aplikací INAA zanedbatelná. Typické navážky vzorků jsou od desítek mg do stovek mg, u vzácných či miniaturních vzorků však mohou být i menší.

Pro stanovení co největšího počtu prvků se provede krátkodobé (zpravidla desítky sekund až několik minut) a dlouhodobé ozáření (jednotky až desítky hodin) v reaktoru s následujícím měřením spekter záření γ po různých dobách vymírání (po vymření radionuklidů s krátkými poločasy přeměny se ve spektrech objevují radionuklidy s delšími poločasy).

Dalším způsobem fyzikální optimalizace je využití selektivního způsobu měření záření γ. Největší význam má antikoincidenční měření s potlačením Comptonova pozadí (Compton suppression counting - CSC). V závislosti na účinnosti centrálního HPGe detektoru a aktivního stínění (NaI(Tl) nebo BGO detektor), které eliminuje Comptonovské interakce záření γ, lze docílit poměru pík/Compton až 800:1, zatímco pro koaxiální HPGe detektor s relativní účinností např. 50 % činí tento poměr okolo 65:1. Menšího zlepšení poměru signál/šum se dosáhne měřením záření β a γ emitovaného v dané časové sekvenci (β-β, β- γ, aj. koincidence).

Jiným způsobem selektivního měření je stanovení uranu a štěpných materiálů počítáním zpožděných neutronů nebo štěpných trosek.

Dalším významným způsobem fyzikální optimalizace mezí detekce prvků je selektivní aktivace, zejména ozařováním epitermálními neutrony v tzv. metodě epitermální NAA (ENAA). Mechanismus snížení mezí detekce prvků spočívá v tom, že mnohé nuklidy, jejichž aktivita působí ve spektrech záření γ vysoké Comptonovo pozadí se při aktivaci řídí tzv. „1/v“ (v je rychlost) zákonem, tj. Jejich účinný průřez reakce klesá s rostoucí energií neutronů.

Nejúčinnějším prostředkem k optimalizaci poměru signál/šum, a tedy ke snižování mezí dokazatelností prvků jsou chemické metody, které umožňují odstranění rušivých složek matrice a interferenčních radionuklidů s dekontaminačním faktorem až 10⁸, zejména při radiochemickém postupu.

Metoda RNAA umožňuje dosažení nejnižších mezí stanovitelnosti, blízkých teoretickým hodnotám, zejména při měření záření β nebo γ s vysokou účinností. Unikátním rysem metody NAA je možnost interní verifikace dat, které tato metoda produkuje (the selfverification principle) - viz obr. Blokové schéma.

Dalším prvkem nezávislosti v NAA je možnost využití různých standardů v relativní metodě standardizace nebo dvou různých způsobů standardizace (relativní a k0-standardizace). Jdeme-li za rámec metody NAA, můžeme princip interní verifikace výsledků rozšířit i na aktivační analýzu s využitím jiných aktivujících částic (fotony, nabité částice) nebo měření promptního záření vznikajícího při interakci s neutrony (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis-PGAA).

Metoda PGAA (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis)

Metoda NAA je jednou z nejdůležitějších metod stopové a ultrastopové prvkové analýzy. Tato metoda známá pod zkratkami PGNAA nebo jen PGAA (dále budeme uvádět jen kratší, častěji užívanou zkratku PGAA) je založena na měření okamžitého záření γ při radiačním záchytu neutronu.

Nejjednodušší jadernou reakcí je záchyt neutronu s nízkou energií stabilním jádrem. Vzhledem k vazebné energii přidaného neutronu se složené jádro ocitne ve vysoce excitovaném stavu, několik MeV nad základním stavem, a zbaví se získané energie emisí okamžitého záření γ.

Nejjednodušším příkladem je záchyt neutronu jádrem vodíku (protonem) za vzniku excitovaného stavu deuteria. Energie excitovaného stavu deuteria po záchytu pomalých neutronů je 2224,6 keV. Jediným možným způsobem deexcitace složeného jádra je emise záření γ o energii 2222,23 keV, zbytek reakční energie připadne na kinetickou odrazovou energii deuteronu. Měřením tohoto záření γ (počtu fotonů) pak můžeme stanovit množství vodíku ve vzorku.

Složitější jádra vytvářejí složená jádra v excitovaném stavu převyšujícím energii základního stavu až o 10 MeV, která obvykle deexitují kaskádou záření γ. Směs prvků tak vytváří směs fotonů o různých energiích, takže spektra záření γ jsou složitá a obsahují často až několik stovek píků.

Vzhledem k extrémně krátké době života vysoce excitovaného složeného jádra (řádově 10^-14 s) je nezbytné měřit emitované okamžité záření γ při on-line ozařování neutrony.

Jako ozařovací zdroje lze využít neutrony z izotopových zdrojů nebo urychlovačů, nejmocnějším zdrojem je, podobně jako v případě NAA, experimentální jaderný reaktor, z něhož se neutrony vyvádějí horizontálním kanálem, tzv. neutronovodem, k měřicí stanici. Ke kalibraci lze, podobně jako v NAA, využít relativní metody a k₀ standardizace.

Experimentální zařízení pro PGAA je relativně jednoduché. Do svazku neutronů vyvedeného horizontálním kanálem (neutronovodem) z reaktoru se vloží vzorek a pod ním umístěným HPGe detektorem spojeným se spektrometrem záření γ se měří energie a intenzita emitovaného promptního záření γ. Průřez neutronovodu zpravidla činí několik cm x několik cm. Součástí zařízení je ukončení svazku, které absorbuje neutrony nepohlcené vzorkem a stínění nezbytné pro ochranu detektoru a experimentátora před rozptýleným zářením γ a neutrony.

Hustota toku neutronů v neutronovodu je o několik řádů nižší než v ozařovacích kanálech pro NAA v okolí aktivní zóny reaktoru a pro experimentální reaktory s výkonem 10-20 MW dosahuje hodnot 10⁷ -10⁹ cm^-2 s^-1 (tepelný ekvivalent měřený aktivací Au za předpokladu σ=σth=98,65 barnu).

Vzhledem k tomu, že jak neutrony, tak záření γ pronikají většinou materiálů, vzorky pro PGAA mohou být teoreticky jakéhokoliv tvaru a velikosti. Omezení vyplývají jen z průřezu neutronového svazku, protože má-li být analyzován celý vzorek, jeho průřez musí být menší než průřez svazku. Ideální se jeví tenké vzorky o průměru 10 - 20 mm a hmotnosti 0,1-1 g. Další možnosti charakterizace materiálů přineslo zavedení polykapilárních čoček, které fokusují svazek neutronů na místo o rozměrech menších než 1 mm.

Metoda PGAA významně doplňuje možnosti NAA pro stanovení těch prvků, jejichž izotopy netvoří aktivací neutrony radionuklidy vhodné pro měření produktů radioaktivní přeměny. Jedná se zejména o nedestrukční stanovení vodíku, bóru a dusíku v různých typech materiálů.

Největšího uplatnění nalezlo stanovení vodíku v materiálovém výzkumu, protože tento prvek působí křehnutí kovů a mění také elektrické vlastnosti křemíku a polovodičů. Bór je dalším důležitým prvkem, jenž je obtížně stanovitelný jinými analytickými metodami v potravinách a stravě, geochemických referenčních materiálech, meteoritech a tektitech a ocelích. PGAA je také jednou z mála metod vhodnou pro měření vyšších obsahů celkového dusíku hlavně v potravinách a zemědělských produktech (podobně jako PAA). Doplňuje možnosti Kjehldalovy metody, kterou se ne vždy stanoví celkový dusík (všechny jeho formy).

Stabilita jader a radioaktivita

Vazebná energie je definována jako práce, kterou je třeba vykonat k rozložení soustavy na její jednotlivé části, tj. v případě jádra k rozložení jádra na jednotlivé nukleony. Je zřejmé, že tato práce (tj. vazebná energie) bude závislá na počtu nukleonů v jádře - bude tedy závislá na nukleonovém čísle A.

Rovněž tak vazebná energie souvisí s hmotnostním úbytkem a pro jádro o klidové hmotnosti je jeho vazebná energie dána vztahem E = Δmc², kde Δm je hmotnostní úbytek, m_p je klidová hmotnost protonu, m_n je klidová hmotnost neutronu a c velikost rychlosti světla ve vakuu.

Graf závislosti separační energie na nukleonovém čísle A je zobrazen na obr. 111. První lokální maximum grafu nastává pro jádro helia ⁴He. Z tohoto grafu je vidět, že s výjimkou několika lehkých jader se separační energie pohybuje v rozmezí 7-9 MeV. Lze tedy odvodit, že každý nukleon působí jadernými silami jen na malý počet okolních nukleonů.

Jsou to tedy přitažlivé síly, které drží jádro pohromadě a které svou velikostí značně překonávají odpudivé elektrostatické síly působící mezi protony v jádře. Působí stejně na protony i neutrony (tj. nezávisí na náboji).

Maximální hodnoty dosahuje separační energie pro jádro železa ⁵⁶Fe a to 8,8 MeV.

Spojování jader (jaderná syntéza, jaderná fúze) - ze dvou jader lehčích než je jádro železa ⁵⁶Fe, lze vytvářet jádra těžší, která jsou stabilnější, a při tom uvolnit jadernou energii. Jádra těžší, než je jádro železa, ovšem tímto způsobem vytvářet nelze. Popsaným způsobem skutečně vznikaly nové prvky za vysokých teplot uvnitř hvězd. Vznik prvků těžších než je železo probíhal za mimořádných kosmických podmínek (např. při výbuchu supernovy).

Všechna atomová jádra nejsou stabilní; většina z nich se po kratší či delší době samovolně přeměňuje na jádra jiná - tento jev se nazývá radioaktivita. V současné době je známo přes 2000 nuklidů, z nichž ovšem převážná většina byla připravena uměle a jsou nestabilní. V přírodě se vyskytuje pouze 264 stabilních nuklidů a asi 50 nestabilních.

Stabilita jádra je dána počtem protonů a neutronů v něm obsažených. Zvláště stabilní jsou jádra, jejichž počet protonů a neutronů je dán tzv. magickými čísly. To jsou čísla, podle nichž se zaplňují jednotlivé energetické stavy nuklidu a při nichž jádra vykazují extrémní vlastnosti související právě se stabilitou jádra. Jedná se o čísla 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 a jádra např. ⁴He, ¹⁶O, ⁴⁰Ca, ²⁰⁸Pb jsou mimořádně stabilní.

Vyznačíme-li jádra do grafu závislosti nukleonového čísla na protonovém čísle, budou stabilní jádra ležet v oblasti, která je vyznačena na obr. Při malých Z mají stabilní jádra přibližně stejný počet protonů i neutronů, s rostoucím Z v jádře převažují neutrony. To pravděpodobně pomáhá kompenzovat odpudivé síly mezi protony.

Kdybychom uvedený graf znázornili trojrozměrně tj. přidali ještě třetí osu, na níž bychom vynášeli separační energii, stabilní jádra by ležela nejníže. Stabilním jádrům totiž odpovídá minimální separační energie - proto tvoří tzv. linii stability.

Udělat ze stabilního jádra jádro nestabilní znamená jádru dodat energii. Čím těžší jádro je, tím více obsahuje protonů a neutronů. Situaci si lze představit jako příkop, na jehož dně i stěnách se nacházejí jádra. S analogií s příkopem je zřejmé, že nejstabilnější polohu v příkopu těleso zaujme, bude-li na jeho dně. Linie stability tedy leží na dně příkopu. S postupným stoupáním ode dna příkopu roste nestabilita jader.

Pokud jádru z linie stability dodáme energii a uděláme tak ze stabilního jádra nestabilní jádro, bude se toto nestabilní jádro vracet zpět do stabilního stavu (tj. na linii stability) radioaktivním rozpadem β, jak je naznačeno na obr.

tags: #emise #elektronu #z #jadra #au

Oblíbené příspěvky:

• Kniha Člověk a příroda pro Albi tužku
• Recenze odpadkových košů
• Tipy na cyklovýlety
• Informace pro 4. ročník
• CNG autobusy v Havířově: Vliv na emise