Dominika Sołtysik,

Sekcja 3,

Biotechnologia, AEI

OZNACZANIE AKTYWNOŚCI ORAZ OKRESU PÓŁTRWANIA SUBSTANCJI

β-PROMIENIOTWÓRCZEJ

1. Wstęp teoretyczny

Promieniotwórczość - to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder połączone z emisją cząstek alfa, cząstek beta, promieniowania gamma.

Na przemianę jądra nie maja wpływu czynniki zewnętrzne takie jak: temperatura, pole magnetyczne czy skupienie materiału promieniotwórczego.

W polu magnetycznym (i elektrycznym) promieniowanie rozszczepia się na 3 wiązki promieni:

• Promienie α są to dwudodatnie jądra helu (odchylają się w kierunku ujemnej płytki kondensatora)

• Promienie β jest to strumień elektronów (odchylają się w polu elektrycznym w kierunku odwrotnym niż promienie α)

• γ wiązka niewrażliwa na pole magnetyczne czy elektryczne jest identyczna z promieniami rentgenowskimi

Izotopy promieniotwórcze - niestabilne, radioaktywne izotopy, których atomy samoistnie rozpadają się dając w wyniku inne atomy, cząstki elementarne oraz wydzielając energię w postaci promieniowania γ

Radioizotopy mają szereg praktycznych zastosowań:

• W medycynie, biochemii i chemii stosuje się je często jako znaczniki. Wprowadza się je celowo do cząsteczek chemicznych, a następnie tak "oznakowane" cząsteczki wprowadza się do organizmu lub poddaje reakcji chemicznej po czym dzięki detekcji emitowanego przez nie promieniowania gamma śledzi się ich "dzieje" w czasie przemian którym podlegają.

• W badaniach historycznych i geologicznych wykorzystuje się zmianę w czasie ilości izotopów promieniotwórczych lub produktów przemian izotopowych w badanym materiale.

• Jako źródło promieniowania gamma radioizotopy są stosowane w medycynie do leczenia raka.

• W medycynie i przemyśle spożywczym radioizotopy są stosowane do szybkiej i efektywnej sterylizacji sprzętu, leków i żywności.

• W przemyśle chemicznym radioizotopy są stosowane jako źródła promieniowania do reakcji zachodzących pod wpływem tego promieniowania.

Pomiary radiochemiczne polegają na określeniu natężenia promieniowania, czyli ilości emitowanych cząstek w jednostce czasu. Detekcja cząstek następuje w oparciu o dwie cechy promieniowania jądrowego: zdolność do jonizacji materii oraz zdolność wzbudzania atomów. Pierwsze z tych zjawisk wykorzystywane jest w liczniku Geigera-Mullera, drugie natomiast w sondzie scyntylacyjnej.

Ponieważ rozpad promieniotwórczy ma charakter chaotyczny, do obliczania błędów

pomiaru należy zastosować prawa statystyki. Minimalna ilość impulsów n_d która powinna być

zliczana aby uzyskać dokładność pomiaru nie gorszą niż x % wyznacza się ze wzoru:

Aktywność A jest to liczba rozpadów promieniotwórczych w ciągu sekundy. Jednostką jest rozpad / s. Detektor zlicza tylko część rozpadów zachodzących w próbce. Dzieje się tak dlatego, że promieniowanie rozchodzi się we wszystkich kierunkach, a do sondy dociera tylko ta jego część, która biegnie w jej kierunku. Własności samej sondy i środowiska, przez które przechodzi promieniowanie, mają również wpływ na ilość zliczanych impulsów.

Aktywność oblicza się ze wzoru:

Poprawki ε, ν, K, P, q, należy przyjąć takie, jakie podano w tabeli dołączonej do instrukcji obsługi przyrządu. Poprawka występująca we wzorze na aktywność η_geom jest to stosunek kąta bryłowego pod jakim widać okienko sondy z powierzchni próbki do pełnego kąta bryłowego, czyli 4 π. W przypadku, gdy próbka jest umieszczona dostatecznie daleko od licznika, możemy ją uważać

za punktową i stosować dla sondy wzór uproszczony na obliczanie η_geom

gdzie:

d - odległość próbki od sondy [mm]

R - promień sondy [mm]

ν - jest to wydajność sondy na dany rodzaj promieniowania

ε - jest poprawką na zdolność rozdzielczą sondy

K - poprawka na pochłanianie w powietrzu

P - poprawka na pochłanianie w próbce

q - poprawka na rozpraszanie zwrotne (wskutek odbicia od podkładki)

Okres połowicznego rozpadu - czas, w ciągu którego liczba nietrwałych jąder atomowych pierwiastka, a zatem i aktywność promieniotwórcza zmniejsza się o połowę. Jest to wielkość wynikająca z prawa rozpadu naturalnego.

Rozpad pierwiastków promieniotwórczych może następować ze znaczną lub niewielką szybkością. W tym drugim przypadku ilość atomów N, która nie uległa jeszcze rozpadowi jest praktycznie stała w ciągu stosunkowo długiego czasu rzędu dziesiątek lat. Można więc przyjąć, że jest ona stała w ciągu czasu trwania pomiaru szybkości rozpadu, co pozwala na zastosowanie znanego wzoru kinetycznego:

(3)

Mierząc ilość impulsów wysyłanych przez próbkę w kierunku licznika w ciągu jednostki czasu możemy obliczyć aktywność A = (-dN/dt). Z równania (3) po jego scałkowaniu można obliczyć stałą szybkości rozpadu k lub okres półtrwania.

(4)

Ilość atomów substancji promieniotwórczej N w próbce oblicza się z równania:

(5) N = N₀ y

gdzie: N₀ - liczba Avogadro, y - ilość moli substancji promieniotwórczej w

próbce.

2. Wykonanie ćwiczenia

1. Przygotowujemy zestaw aparatury do pomiarów zgodnie z instrukcją znajdującą się na stanowisku pomiarowym.

2. Po włączeniu i ustabilizowaniu układu pomiarowego mierzymy w ciągu 100 sekund ilość impulsów dla tła (czyli bez próbki w komorze pomiarowej). Pomiar przeprowadzamy dziesięciokrotnie, wyznaczamy wartość średnią, która w przybliżeniu wynosi 25

3. Następnie umieszczamy próbkę na 5 progu w komorze pomiarowej mierzymy w ciągu 100 sekund ilość impulsów dla próbki. Pomiar przeprowadzamy dziesięciokrotnie, wyznaczamy wartość średnią, wynosi ona w przybliżeniu 1964

3. Wyniki doświadczeń

1. Oznaczanie aktywności bezwzględnej substancji β-promieniotwórczej

K_próbki = 1958

K_tła = 25

obliczamy ilość impulsów na sekunde:

n_t = K_t/t = 25/100 = 0,25 [impulsy/s]

n_p=K_p/t = 1964/100 = 19,64 [impulsy/s]

wartości poprawek dla warunków ćwiczenia:

ν = 0,5

ε = 1

KPq = 1,785

obliczamy η_geom

d = 0,080 m

R = 0,020 m

η_geom = 0,014929

Obliczamy aktywność:

A = 1455,279 = 1,455*10³ [rozpad/sek]

2. Oznaczanie okresu półtrwania pierwiastków promieniotwórczych

N₀ = 6,02 *10²³ 1/mol

y = 5,8*10^-4 moli

N = 3,493*10²⁰

τ_1/2 = 1,644*10¹⁷ [s] = 5,277*10⁹ [lat]

3. Dokładność pomiaru

; n_d  p_róbki

4. Wnioski

Na podstawie wyliczonego okresu półtrwania możemy określić co było badaną przez nas substancja na podstawie danych tablicowych. Badana przez nas próbka to uran ²³⁸U - okres jego półtrwania jest najbardziej zbliżony do pierwiastka z próbki

Możliwym źródłem błędów w pomiarach jest zbyt mała zdolność rozdzielcza sondy (ogranicza ona szybkość zliczania impulsów) oraz możliwie zbyt mała ilość przeprowadzonych pomiarów (w naszym przypadku było to po 10 dla tła i próbki). Jak również duże rozbieżności w ilości impulsów dla tła - promieniowanie kosmiczne (wyniki wahały się od 22 do 27).

---