1 Pracownia z Chemii Jądrowej Podczas pierwszych zajęć w

Pracownia z Chemii Jądrowej
REGULAMIN
Podczas pierwszych zajęć w Pracowni z Chemii Jądrowej studenci odbywają szkolenie
dotyczące pracy z radionuklidami, prowadzone przez inspektora ochrony radiologicznej. Po
szkoleniu, studenci potwierdzają podpisem, że zapoznali się z przepisami regulującymi zasady
pracy w laboratorium izotopowym.
W pracowni obowiązuje odzież ochronna. W pierwszym dniu zajęć każdy student otrzymuje
czysty fartuch laboratoryjny i przypina do niego identyfikator. Po zakończeniu ćwiczenia
fartuchy należy pozostawić na wieszakach w szafie obok sali 170.
Nie wolno tych fartuchów wynosić i używać podczas innych zajęć laboratoryjnych (przepisy
ochrony radiologicznej).
Zajęcia w pracowni zaplanowane są na 8 tygodni. Pierwsze spotkanie ma charakter
organizacyjno-szkoleniowy i trwa 2 godziny. Pozostałe zajęcia, to ćwiczenia laboratoryjne
prowadzone w wymiarze 4 godzin tygodniowo (3 godziny zegarowe). Przed przystąpieniem do
każdego ćwiczenia studenci zdają kolokwium a po upływie dwóch tygodni po jego wykonaniu są
zobowiązani oddać opis (jeden na zespół dwuosobowy), opracowany zgodnie z zaleceniem
prowadzącego.
Warunkiem ukończenia Pracowni z Chemii Jądrowej jest zaliczenie 7 ćwiczeń. Ocena z
pracowni jest ustalana na podstawie ocen z poszczególnych ćwiczeń zgodnie z poniższym
schematem:
• oceny cząstkowe są przedstawiane jako liczby, przy czym „plus” jest traktowany jako
+0,5 a „minus” jako -0,3;
• obliczana jest średnia z dokładnością do 1 miejsca po przecinku;
• średnim odpowiadają następujące oceny końcowe:
2,7 ≤ śr < 3,2
3,3 ≤ śr < 3,6
3,7 ≤ śr < 4,2
4,3 ≤ śr < 4,6
4,7 ≤ śr < 5,0
3
3+
4
4+
5
1
Harmonogram zajęć w pracowni z chemii jądrowej 2014
Pierwsze zajęcia - 27.02 godz 13.00 w budynkiu
CNBCh
zmiana A - czwartek, 13.00 - 16.00
a1
a9
a10
06.03
1 1 2 2 3 3 4 4 5
5
13.03
2 2 3 3 4 4 5 5 6
6
20.03
3 3 4 4 5 5 6 6 7
7
27.03
4 4 5 5 6 6 7 7 1
1
03.04
5 5 6 6 7 7 1 1 2
2
10.04
6 6 7 7 1 1 2 2 3
3
24.04
7 7 1 1 2 2 3 3 4
4
grupa
termin
a2 a3
a4
a5
a6
a7
a8
termin dodatkowy - do uzgodnienia z prowadzącymi
Pierwsze zajęcia - 27.02 godz 17.00 w sali 224 (Radiochemia)
zmiana B - czwartek, 17.00 - 20.00
grupa
b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9
b10
b11
b12
b13
b14
06.03
1 1 2 2 3 3 4 4 5
5
6
6
7
7
13.03
2 2 3 3 4 4 5 5 6
6
7
7
1
1
20.03
3 3 4 4 5 5 6 6 7
7
1
1
2
2
27.03
4 4 5 5 6 6 7 7 1
1
2
2
3
3
03.04
5 5 6 6 7 7 1 1 2
2
3
3
4
4
10.04
6 6 7 7 1 1 2 2 3
3
4
4
5
5
24.04
7 7 1 1 2 2 3 3 4
4
5
5
6
6
termin
termin dodatkowy - do uzgodnienia z prowadzącymi
2
Pracownia z Chemii Jądrowej
SPIS ĆWICZEŃ I ASYSTENTÓW PROWADZĄCYCH:
kierownik: dr Małgorzata Jelińska-Kazimierczuk
Ćwiczenie 1
WYZNACZANIE OKRESU POŁOWICZNEGO ZANIKU IZOTOPU PROMIENIOTWÓRCZEGO
Prowadzący: dr hab. Marek Pękała, mgr Katarzyna Kobierska
Ćwiczenie 2
OKREŚLANIE STOPNIA OSŁABIENIA PROMIENIOWANIA Β-. POMIAR GRUBOŚCI MATERIAŁÓW ZA
POMOCĄ TECHNIK RADIOMETRYCZNYCH
Prowadzący: dr Agnieszka Siporska
Ćwiczenie 3A i 3B
ZASTOSOWANIE SPEKTROMETRII PROMIENIOWANIA γ W NEUTRONOWEJ ANALIZIE
AKTYWACYJNEJ
Prowadzący: dr Michał Grdeń
Ćwiczenie 4
WPŁYW PODSTAWIENIA IZOTOPOWEGO H/D NA FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI
SUBSTANCJI. WYMIANA IZOTOPOWA WODORU
Prowadzący: dr Małgorzata Jelińska-Kazimierczuk
Ćwiczenie 5
WYMIANA IZOTOPOWA JODU MIĘDZY JODKIEM ETYLU C2H5I I JODKIEM SODU Na131I
Prowadzący: prof. dr hab. J. Szydłowski
Ćwiczenie 6
BADANIE STRUKTRY TIOSIARCZANU ZA POMOCĄ RADIONUKLIDU 35S
Prowadzący: dr Anna Makowska
Ćwiczenie 7
PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA
Prowadzący: dr Anna Czerwińska, dr Andrzej Czerwiński
3
Pracownia z Chemii Jądrowej
OPIS ĆWICZEŃ
Ćwiczenie 1
WYZNACZANIE OKRESU POŁOWICZNEGO ZANIKU IZOTOPU
PROMIENIOTWÓRCZEGO
Ogólne wymagania do kolokwium
Prawo rozpadu promieniotwórczego; okres połowicznego zaniku; przemiany promieniotwórcze;
działanie liczników gazowych; wydajność licznika Geigera-Millera; źródła neutronów;
otrzymywanie radionuklidów w reakcjach jądrowych.
Tematy szczegółowe do kolokwium
Statystyczny charakter rozpadu promieniotwórczego.
Dlaczego nie można zdefiniować czasu życia izotopu?
Proporcjonalność (a nie równość) liczby rozpadów jądrowych zarejestrowanych przez licznik
GM do szybkości rozpadu promieniotwórczego i jednocześnie do liczby jąder
promieniotwórczych.
Definicja izotopu, aktywności, szybkość rozpadu.
Okres połowicznego zaniku, stała rozpadu, czas relaksacji.
Parametry opisujące przemiany jądrowe alfa, beta, gamma, wychwyt elektronu.
Budowa, zasada działania i charakterystyka licznika GM.
Jonizacja, wyładowanie lawinowe, rola natężenia pola elektrycznego.
Samogasnące i niesamogasnące liczniki GM.
Rodzaje promieniowania jonizującego rejestrowane przez licznik GM.
Wydajność licznika GM.
Dlaczego charakterystykę licznika GM określa się przy pomocy długożyciowego izotopu?
Czy licznik GM pozwala określić energię promieniowania jonizującego?
Czas martwy licznika GM - wydajność licznika GM
Wpływ czasu martwego na liczbę rejestrowanych zliczeń
Wyznaczenie czasu martwego licznika GM metodą dwóch źródeł promieniotwórczych
Wyznaczanie okresu połowicznego zaniku izotopu
Zasada działania plutonowo-berylowego źródła neutronów
Procesy aktywacji i rozpadu radionuklidów: 204Tl i 128I
Wykonanie ćwiczenia:
1. Określenie punktu pracy licznika Geigera-Mullera na podstawie charakterystyki
napięciowej, tj. zależności szybkości zliczania od przyłożonego napięcia anodowego.
Uruchamiamy zestaw pomiarowy zawierający licznik GM, zasilacz wysokiego napięcia i
przelicznik. Podkładamy pod licznik wzorcowe źródło promieniowania (204Tl) i zmieniając
napięcie anodowe UA od 400 V do 600 V co 20 – 30 V, rejestrujemy liczbę zliczeń Z(U) w
czasie 100 sekund. Każdy pomiar powtarzamy 3 razy.
4
Wykonujemy wykres liczby zliczeń Z(U) w funkcji napięcia anodowego. Wyznaczmy
punkt pracy licznika.
2. Wyznaczenie charakterystyki dyskryminacji licznika GM.
Za pomocą źródła wzorcowego zdejmujemy charakterystykę dyskryminacji licznika GM.
Przy ustalonym wcześniej napięciu anodowym (punkt pracy licznika) wykonujemy
rejestrujemy liczbę zliczeń Z(U) w czasie 100 lub 10 sekund, zmieniając napięcie
dyskryminacji UD od zera co 0.05 lub 0.1 V, aż do zaniku zliczeń. Wykonujemy wykres
zależności liczby zliczeń Z(UD) od napięcia dyskryminacji.
3. Wyznaczenie martwego czasu licznika GM.
W celu wyznaczenia czasu martwego TM licznika GM wykorzystujemy dwa źródła
promieniotwórcze (204Tl). Podkładamy pod licznik pierwsze źródło i rejestrujemy liczbę zliczeń
Z1 trzy/pięć razy w czasie 100 sekund. Następnie obok źródła I kładziemy źródło II i
rejestrujemy sumaryczną liczbę zliczeń Z1,2. Wyjmujemy pierwsze źródło i rejestrujemy liczbę
zliczeń drugiego źródła Z2. Rejestrujemy także liczbę zliczeń tła Zt po wyjęciu obu źródeł. Czas
martwy licznika GM obliczamy ze wzoru:
TM =
(N1 + N 2 − N 1,2 − N t )
(1)
2(N1 − N t )( N 2 - N t )
gdzie N1, N2, N12 i Nt oznaczają średnie zarejestrowane aktywności źródeł nr 1, 2, sumy 1+2
oraz tła.
4. Wyznaczenie okresu połowicznego zaniku izotopu 128I.
Do wyznaczenia okresu połowicznego zaniku radionuklidu 128I stosuje się czysty jod lub
jego związki (np. NaIO3 ) poddane napromieniowaniu neutronami. Pomiary wykonujemy przy
pomocy licznika Geigera-Muellera (GM), rejestrując liczbę impulsów podczas 100 sekund i
rozpoczynając kolejne liczenie co 3 minuty. W tabeli zapisujemy czas rozpoczęcia kolejnego
pomiaru t [min] i liczbę zliczeń Z(t).
Sprawozdanie - analiza i dyskusja wyników
ad 1. Należy sporządzić charakterystykę licznika GM, czyli wykres zależności liczby zliczeń od
przyłożonego napięcia Z(U).
Określić długość obszaru plateau w voltach.
Obliczyć średnie nachylenia plateau w [% / 100V].
ad 2. Wykonać wykres zależności liczby zliczeń od napięcia dyskryminacji Z(UD) i
skomentować.
ad 3.1. Obliczyć czas martwy licznika TM z równania (1).
Do obliczenia TM w sekundach należy zastosować aktywności a nie liczby zliczeń.
ad 3.2. Oszacować błąd ∆TM przy pomocy odchylenia ∆Ni od wartości średniej Ni .
ad 3.3.Uwzględniając obliczony czas martwy licznika TM należy obliczyć wydajność licznika
GM
5
W [%] = 100 % ( 1 – N TM / 1 sek)
(2)
i wykonać wykres wydajności W(N) dla aktywności N od 1 do 30, oraz określić, przy jakiej
aktywności wydajność licznika GM wynosi odpowiednio 99 % i 90 %.
ad 3.4.Uwzględniając poprawkę na czas martwy TM przy pomocy wyrażenia
N0 = N / ( 1 – N TM )
(3)
należy obliczyć średnie aktywności N10, N20, N120 i Nt0 i porównać ze zmierzonymi N1, N2, N12 i
Nt i skomentować.
ad 4.1.. Dla badanego radionuklidu należy sporządzić wykres liczby zliczeń Z(t) w funkcji czasu
i zaznaczyć błędy pomiarowe ± ∆Z = ± √Z(t) i ± ∆t.
Czy wykres zgadza się z zależnością
N(t) = N0 exp ( – k t ) ?
(4)
Z wykresu należy odczytać okres połowicznego zaniku TP i oszacować błąd ∆TP.
Ten wykres i następny powinny być wykonane w formacie A4 lub podobnym, aby
umożliwić odpowiednią analizę kształtu krzywych. Nieodpowiedni dobór skali/zakresu osi –
zagęszczający wyniki tylko w wąskim pasie, dyskwalifikuje sprawozdanie.
ad 4.2. Należy też sporządzić wykres logarytmu liczby zliczeń Z(t) w funkcji czasu, czyli lnZ(t).
Przyjmując, że fluktuacje liczby zliczeń są równe pierwiastkowi kwadratowemu z liczby zliczeń
√Z(t) na wykresie należy zaznaczyć zakres fluktuacji przy pomocy punktów ln [ Z(t) ± √Z(t) ].
Proszę zwrócić uwagę, że zakres fluktuacji, który trzeba zaznaczyć na wykresie lnZ(t) nie
jest równy ± ln√Z(t) ! Ewentualne zastosowanie takiego podejścia prowadzi do zaznaczenia na
wykresie lnZ(t) zawyżonego zakresu fluktuacji punktami odpowiadającymi ln Z(t) ± ln√Z(t). W
konsekwencji prowadzi to do znacznie zawyżonej wartości błędu ∆T1/2 !
O czym świadczy prostoliniowy wykres ln N(t) ? Czy potwierdza on wykładniczą
zależność N(t) ?
Przez zebrane punkty pomiarowe należy narysować dwie proste o skrajnych
nachyleniach k1 i k2 mieszczące się w zakresie fluktuacji, czyli błędów pomiarowych.
Współczynnik nachylenia k prostej
lnZ(t) = lnZ0 – k t
(5)
oblicza się jako stosunek przyrostu wartości funkcji [ lnZ(t2) – lnZ(t1) ] do przyrostu argumentu (
t2 – t1 ), czyli
k = [ lnZ(t2) – lnZ(t1) ] / ( t2 – t1 )
(6)
gdzie t1 i t2 odpowiadają odpowiednio początkowemu i końcowemu czasowi pomiaru.
6
Współczynnika nachylenia prostej nie należy traktować jako tangens kąta, ponieważ
tangens jest wielkością niemianowaną a kąt zależy od skali na osiach
Jako średnią wartość k należy przyjąć
k = ( k1 + k2 ) / 2
(7)
a jako błąd
∆k = | k1 - k2 | / 2
(8)
Przy pomocy współczynnika k ± ∆k i relacji
T1/2 = ln 2 / k = 0.693 / k
(9)
trzeba wyznaczyć okres połowicznego zaniku T1/2 , oszacować błąd ∆T1/2 i porównać z wartością
TP wyznaczoną w 4.1 oraz z wartością literaturową.
Wykresy i obliczenia należy uzupełnić komentarzem i wnioskami.
Proszę obliczyć, ile razy aktywność badanej próbki zmaleje po 2 i po 24 godzinach.
Czy badana próbka zawiera tylko jeden aktywny izotop?
Jak może wyglądać wykres logarytmu liczby zliczeń lnZ(t) (lub logarytmu aktywności
lnN(t) ) w funkcji czasu, jeżeli w chwili rozpoczęcia pomiaru próbka zawiera równe ilości
dwóch izotopów o okresach połowicznego zaniku TA i TB , a stosunek TA / TB jest równy np. 2
lub 5?
ad 4.3.Osoby pragnące poprawić ocenę zachęcam do uwzględnienia wydajności W licznika
GM.
Do wykresów czasowej zależności Z(t) należy dodać wykresy ZW(t) obliczone po
uwzględnieniu wydajności W – tak jak w 3.4.
Następnie należy obliczyć okres połowicznego zaniku T1/2W i porównać z wartością T1/2
obliczoną w 4.2.
ad 4.4. (Dla dociekliwych) Prawo rozpadu promieniotwórczego nieco inaczej zapisane:
Jak zapisać prawo rozpadu promieniotwórczego wykorzystując 2 lub ½ zamiast liczby e,
czyli podstawy logarytmu naturalnego?
Jak wygląda wykres prawa rozpadu promieniotwórczego przy zastosowaniu logarytmu o
podstawie 2 ?
Czemu jest równy współczynnik nachylenia takiego wykresu?
Jak wtedy obliczyć T1/2 ?
Literatura:
J. Sobkowski, M. Jelińska-Kazimierczuk: Chemia Jądrowa, wyd. ADAMANTAN 2006
J. Araminowicz, K. Małuszyńska, M. Przytuła, Laboratorium fizyki jądrowej, PWN 1984
A. Czerwiński, Energia jądrowa i promieniotwórczość, OE K. Pazdro, 1998
D. Halliday, R .Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, tom 5, PWN 2003.
A. Strzałkowski, Wstęp do fizyki jądra atomowego, PWN 1969
7
Ćwiczenie 2
OKREŚLANIE STOPNIA OSŁABIENIA PROMIENIOWANIA Β-. POMIAR GRUBOŚCI MATERIAŁÓW ZA
POMOCĄ TECHNIK RADIOMETRYCZNYCH
Wymagania do kolokwium
Charakterystyka promieniowania α,β i γ. Przenikliwość. Oddziaływanie promieniowania
jonizującego z materią. Osłony stosowane w ochronie radiologicznej. Przemysłowe
zastosowania promieniowania jądrowego.
Wykonanie ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z właściwościami materiałów stosowanych do
ochrony przed promieniowaniem jonizującym.
Zastosowanie detekcji promieniowania jonizującego umożliwi przedstawienie charakterystyk
oddziaływania z materią promieniowania β- oraz γ. Wykorzystanie pomiarów radiometrycznych
umożliwi także określenie grubości nieznanej płyty ołowiowej.
Wykonanie ćwiczenia polega na rejestrowaniu zliczeń w układzie pomiarowym, dokonanych
przy pomocy sondy scyntylacyjnej, w następującej kolejności:
1. zebranie tła promieniowania
2. odczytanie liczby zliczeń dla nieosłoniętego źródło promieniowania
3. odczytanie liczby zliczeń dla układów, w których zastosowano osłony z płyt:
a) z peksiglasu;
b) aluminiowych
c) ołowiowych o określonych grubościach
Opracowanie wyników
Wykonanie opisu polega na sporządzeniu 3 wykresów, obliczeniu Rmax oraz Eβmax
dla cząstek β- w aluminium, określeniu grubości nieznanej płyty ołowiowej oraz obliczeniu
liniowego współczynnika osłabiania promieniowania γ dla ołowiu:
1. Wspólny wykres liczby zliczeń dla pleksiglasu, aluminium oraz ołowiu w funkcji grubości
materiałów zastosowanych do osłabienia promieniowania jonizującego (N = ƒ (d [mm])
2. Wykres liczby zliczeń w funkcji grubości warstwy aluminium zastosowanego do osłabienia
promieniowania jonizującego (N = ƒ (d[mg/cm2]). Z powyższego wykresu określenie Rmax dla
promieniowania β- emitowanego przez źródło. Oszacowanie na podstawie przybliżonej
zależności energii maksymalnej elektronów emitowanych przez źródło.
3. Logarytmiczny wykres liczby zliczeń w funkcji grubości warstwy ołowiu zastosowanego do
osłabienia promieniowania jonizującego (lnN = ƒ (ln(d[mm])). Określenie na podstawie
powyższego wykresu grubości nieznanej płyty oraz obliczenie liniowego współczynnika
osłabienia promieniowania.
Opis powinien zawierać dyskusją dotyczącą efektywności osłabiania promieniowania przez
określone materiały.
Literatura:
1. J. Sobkowski, M. Jelińska-Kazimierczuk: Chemia Jądrowa wyd. ADAMANTAN 2006
2. A. Czerwiński: Energia jądrowa i promieniotwórczość wyd. Oficyna Wydawnicza
Krzysztof Pazdro 1998
8
Ćwiczenie 3A
ZASTOSOWANIE SPEKTROMETRII PROMIENIOWANIA γ W NEUTRONOWEJ ANALIZIE
AKTYWACYJNEJ
Wymagania do kolokwium
Reakcje jądrowe. Energie wiązań jąder atomowych. Trwałość jąder. Momenty jądrowe.
Własności elektromagnetyczne jąder. Siły jądrowe, cząsteczki elementarne oraz modele
struktury jądra. Analiza aktywacyjna. Przekrój czynny. Scyntylacyjna oraz półprzewodnikowa
spektrometria promieniowania γ. Teoria detektora półprzewodnikowego. Podstawowe pojęcia o
wielokanałowym analizatorze amplitudy.
Wykonanie ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z techniką neutronowej analizy aktywacyjnej oraz
sposobem detekcji promieniowania γ przy użyciu detektora półprzewodnikowego typu HPGe
sprzężonego z analizatorem wielokanałowym.
Wykonanie ćwiczenia polega na zarejestrowaniu widm promieniowania γ pochodzących od
preparatu nie- oraz aktywowanego neutronami termicznymi. Aktywacja próbki odbywa się w
plutonowo-berylowym źródle neutronów. W drugiej części ćwiczenia studenci dokonują
pomiaru zawartości naturalnych izotopów promieniotwórczych w surowcach i materiałach
stosowanych w życiu codziennym np. odczynnikach chemicznych czy odpadach. Eksperymenty
przeprowadzone zostają w następującej kolejności:
1. kalibracja detektora półprzewodnikowego,
2. zarejestrowanie widm preparatu nieaktywowanego i aktywowanego,
3. zarejestrowanie widma promieniowania próbek związanych z działalnością człowieka.
Opracowanie wyników
Wykonanie opisu polega na:
1. sporządzeniu wykresu kalibracji układu pomiarowego,
2. określeniu jakościowym oraz ilościowym składu preparatu poddawanego aktywacji
neutronami termicznymi,
3. określeniu jakościowym izotopów promieniotwórczych zawartych w próbce związanej z
działalnością człowieka.
Opis powinien zawierać dyskusję dotyczącą wpływu efektu Comptona na uzyskiwane widma,
zawartości naturalnych izotopów promieniotwórczych w materiałach znajdujących się w
najbliższym otoczeniu człowieka oraz możliwości zastosowania neutronowej analizy
aktywacyjnej do oznaczeń ilościowych i jakościowych.
Literatura:
1. J. Sobkowski, M.Jelińska-Kazimierczuk: Chemia jądrowa, wyd. ADAMANTAN 2006
2. A. Czerwiński: Energia jądrowa i promieniotwórczość, wyd. Oficyna Wydawnicza
Krzysztof Pazdro 1998
3. W. Szamański: Chemia jądrowa, wyd. PWN 1996
Ćwiczenie 3B
SPEKTROSKOPIA MÖSSBAUERA
Wymagania do kolokwium
Podstawowe informacje na temat rozpadów promieniotwórczych: rozpady α, β, wychwyt
elektronu. Schematy rozpadów, okres półtrwania. Modele budowy jądra atomowego:
powłokowy i kolektywny. Momenty jądrowe, liczby kwantowe opisujące jądro. Moment
kwadrupolowy. Emisja promieniowania γ, konwersja wewnętrzna. Charakter i właściwości
promieniowania γ, oddziaływanie promieniowania γ z materią. Pochłanianie promieniowania w
materii. Podstawowe wiadomości na temat oddziaływań elektrostatycznego i magnetycznego.
Jądro w polu elektrycznym i magnetycznym.
9
Wykonanie ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z ideą techniki pomiarowej wykorzystującej
promieniowanie jonizujące, jaką jest spektroskopia (spektrometria) Mössbauera. Ćwiczenie
zaprezentuje możliwości pomiarowe tej techniki, studenci zapoznają się z metodologią
analizowania uzyskanych rezultatów, poznają schemat wykorzystywanej aparatury oraz
rozszerzą swoją wiedzę z zakresu chemii jądrowej. W ćwiczeniu wykorzystywane będzie źródło
Fe57, pomiary prowadzone będą dla związków/materiałów zawierających żelazo.
Wykonanie ćwiczenia podzielone jest na dwa etapy:
1. Zarejestrowanie widma dla substancji wzorcowej, jaką jest folia Fe o grubości 25 mikronów.
Zarejestrowane widmo zostanie wykorzystane do kalibracji układu, wyznaczenia czasu życia
stanu wzbudzonego Fe57 oraz wartości wewnętrznego pola magnetycznego. Określenie wpływu
grubości próbki na możliwość rejestrowania widm w trybie transmisyjnym.
2. Zarejestrowanie widma dla kilku wybranych związków nieorganicznych żelaza o naturalnym
składzie izotopowym. Wyznaczenie:
- przesunięcia izomerycznego
- przesunięcia kwadrupolowego
- wewnętrznego pola magnetycznego
3. Zarejestrowanie widma próbki zawierającej różne związki żelaza w celu wyznaczenia ich
zawartości względnej.
Opracowanie wyników
Wykonanie opisu polega na:
1. wyliczeniu czasu życia stanu wzbudzonego Fe57 oraz wartości wewnętrznego pola
magnetycznego w czystym żelazie (α-Fe) na podstawie położeń odpowiednich sygnałów,
2. Wyliczeniu przesunięć izomerycznych, przesunięć kwadrupolowych oraz wewnętrznego pola
magnetycznego (o ile jest obserwowane) dla wybranych związków Fe na podstawie położeń
odpowiednich sygnałów. Wyniki zostaną przedstawione w formie tabeli. W przypadku
rozszczepienia magnetycznego należy podać wartości rozszczepienia energetycznego dla
poszczególnych przejść.
związek przesunięcie
izomeryczne
mm/s (eV)
rozszczepienie
kwadrupolowe
mm/s (eV)
rozszczepienie
magnetyczne
mm/s (eV)
Opis powinien zawierać dyskusję wpływu na widma Mössbauera takich czynników jak: budowa
związku, jego symetria, formalny stopień utlenienia żelaza oraz elektroujemność
pierwiastków/ligandów wiązanych z żelazem.
3. Wyliczeniu stosunku zawartości związków żelaza w nieznanej próbce na podstawie
powierzchni odpowiednich sygnałów obserwowanych na widmie.
Literatura
1. Skrypt do ćwiczenia
2. K. Szymański: Postępy Fizyki, 59 (2008) 118
3. W.I. Goldanski: Efekt Mössbauera i jego zastosowania w chemii, PWN 1966
4. J. Sobkowski, M. Jelińska-Kazimierczuk: Chemia jądrowa, Adamantan 2006
5. A. Czerwinski: Energia jądrowa i promieniotwórczość,.OW Krzysztof Pazdro 1998
6. W. Szymański: Chemia jądrowa, PWN 1996
10
Ćwiczenie 4
WPŁYW PODSTAWIENIA IZOTOPOWEGO H/D NA FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI
SUBSTANCJI. WYMIANA IZOTOPOWA WODORU
Wymagania do kolokwium
Zjawisko izotopii, skład izotopowy pierwiastków. Trwałość jąder atomowych. Efekty izotopowe
w widmach atomowych i cząsteczkowych. Kinetyczne i termodynamiczne efekty izotopowe.
Właściwości fizykochemiczne D2O. Wymiana izotopowa wodoru i znakowanie metodą wymiany.
Wykonanie ćwiczenia
I. Badanie właściwości fizykochemicznych deuterowanych substancji
I.1. Zmierz współczynnik załamania światła dla:
a) czystej wody zwykłej (H2O),
b) czystej wody ciężkiej (D2O),
c) rozpuszczalnika organicznego (np. DMSO),
d) deuterowanego rozpuszczalnika organicznego (np. DMSO-d6).
I.2. Porównaj rozpuszczalność soli w H2O i w D2O. W tym celu:
a) Odmierz dwie porcje NaCl, takie, żeby otrzymać nasycone roztwory, każdy o objętości 1
cm3. Umieść te próbki soli w naczynkach-paluszkach, do jednego dodaj 1 cm3 H2O a do
drugiego 1 cm3 D2O. Naczynka zanurz w termostacie (t = 20o C) na ok. 30 minut i co pewien
czas wytrząsaj, żeby przyspieszyć rozpuszczanie.
b) Przygotuj 4 naważki NaCl: dwie o masach ok. 100 mg i dwie o masach 200-250 mg.
Sprządź po dwa roztwory o różnych stężeniach, dodając do dwóch porcji soli po 1 cm3 H2O a do
dwóch pozostałych po 1 cm3 D2O. Po rozpuszczeniu zmierz współczynniki załamania światła
wszystkich roztworów.
c) Pobierz małe porcje (po ok. 0.1 cm3) roztworów umieszczonych w termostacie i zmierz
ich współczynniki załamania światła. Powtórz tę czynność po kilku minutach w celu
sprawdzenia czy ustaliła się równowaga rozpuszczania.
II. Badanie wymiany izotopowej wodoru
Odważ 1 g sacharozy, rozpuść w 1 cm3 D2O (w probówce ze szlifem) a następnie oddestyluj
wodę pod próżnią. Zmierz współczynnik załamania światła wody po wymianie z sacharozą.
Opracowanie wyników:
1) Podaj zmierzone wartości współczynników załamania światła i krótko wyjaśnij, co jest
przyczyną zaobserwowanego efektu izotopowego.
2) Na podstawie danych uzyskanych w punkcie I.2.b) sporządź krzywe wzorcowe
zależności współczynnika załamania światła roztworów chlorku sodu w wodzie zwykłej i
ciężkiej, od stężenia. Stężenie wyraź jako masę soli, rozpuszczoną w 55 molach wody.
Korzystając z wyników otrzymanych w punkcie I.2.c) odczytaj z krzywych wzorcowych,
jakie są stężenia nasyconych roztworów NaCl w H2O i w D2O. Oblicz efekt izotopowy
rozpuszczalności soli, wyrażony jako:
r −r
E r = H D ⋅ 100%
rH
Oszacuj, czy wynik byłby taki sam, gdyby rozpuszczalność była wyrażona w gramach soli na
100 g wody.
11
3) Na podstawie wyznaczonych (lub odczytanych z tablic) gęstości, oblicz objętości
molowe wody zwykłej i ciężkiej. Krótko wyjaśnij, co jest przyczyną różnic tych
wartości.
4)
Podaj zmierzoną wartość współczynnika załamania światła dla wody po wymianie z
sacharozą i skomentuj uzyskany wynik. Korzystając ze znanych mas substratów (sacharozy i
wody ciężkiej) oblicz, jaki jest skład wody po wymianie (wyrażony ułamkiem molowym
D2O). Zakładając, że współczynnik załamania światła jest liniową funkcją składu mieszaniny
H2O-D2O, oblicz, jaka powinna być jego wartość.
Literatura:
1. J. Sobkowski, M. Jelińska-Kazimierczuk: Chemia Jądrowa wyd. ADAMANTAN 2006
2. A. J. Brodski, Chemia izotopów, PWN, 1958.
1. J. Sobkowski ( red.), "Zastosowanie nuklidów promieniotwórczych w chemii". PWN, 1989.
Ćwiczenie 5
WYMIANA IZOTOPOWA JODU MIĘDZY JODKIEM ETYLU C2H5I I JODKIEM SODU Na131I
Wymagania do kolokwium
Wymiana izotopowa. Termodynamiczne przyczyny wymiany izotopowej. Kinetyka wymiany
izotopowej. Mechanizmy wymiany izotopowej. Efekty izotopowe. Przykłady.
Wykonanie ćwiczenia
1. Do dwóch naczyń reakcyjnych wprowadzamy po 35 cm3 roztworu Na131I w etanolu. Naczynia
umieszczamy w termostatach (T1 – temperatura pokojowa, T2 = 30oC). Zapisujemy wartości
temperatur.
2. Do dwóch probówek wprowadzamy po 15 cm3 jodku etylu. Probówki również termostatujemy
w powyższych temperaturach.
3. Po ustaleniu się temperatury, jodek etylu z probówek wprowadzamy do roztworu jodku sodu
w naczyniach reakcyjnych. Od tego momentu zaczyna się proces wymiany izotopowej.
4. Przebieg procesu wymiany monitorujemy mierząc wzrost aktywności jodku etylu. W tym
celu:
- W określonych odstępach czasu pobieramy po 6 cm3 badanej mieszaniny reakcyjnej i
wprowadzamy do rozdzielacza, zawierającego 50 cm3 wody destylowanej, co powoduje
rozdzielenie reagentów i przerwanie procesu wymiany.
- Jodek etylu z rozdzielacza przenosimy do naczynia, z którego pobieramy dokładnie 0,5 cm3 i
wprowadzamy do naczynka pomiarowego.
- Mierzymy radioaktywność próbki, korzystając z licznika scyntylacyjnego. Wykonujemy co
najmniej po 3 niezależne pomiary radioaktywności każdej próbki.
- Harmonogram pobierania próbek jest następujący:
dla T1:10 min, 20 min, 30 min, 40 min, 50 min;
dla T2: 5 min 15 min, 25 min, 35 min, 45 min.
Opracowanie wyników:
Uzyskane wyniki przestawiamy w formie tabeli:
12
T1 =
Czas trwania
wymiany [min]
10
20
30
40
50
Radioaktywność
jodku etylu [Bq]
T2 =
Czas trwania
wymiany [min]
5
15
25
35
45
X∞ = …….
Radioaktywność
jodku etylu [Bq]
W celu wyznaczenia okresów połowicznej wymiany (t1/2) dla temperatur T1 i T2, sporządzamy
wykres zależności: -ln(1-X/X∞) od czasu wymiany.
Czas połowicznej wymiany odpowiada wartości funkcji -ln(1-X/X∞) = 0.693
Stałe szybkości reakcji wymiany izotopowej dla temperatur T1 i T2 wyznaczamy zależności:
k = 0.693/t1/2
Wartość energii aktywacji reakcji wymiany izotopowej wyznaczamy z zależności:
Ea =
R(lnk 1 − lnk 2 )
1
1
−
T2 T1
gdzie: R- stała gazowa, k1 i k2 – stałe szybkości reakcji w temperaturach T1 i T2.
Literatura:
1. J. Sobkowski, M. Jelińska-Kazimierczuk: Chemia Jądrowa wyd. ADAMANTAN 2006
2. A. J. Brodski, Chemia izotopów, PWN, 1958.
2. J. Sobkowski ( red.), Zastosowanie nuklidów promieniotwórczych w chemii PWN, 1989.
Ćwiczenie 6
BADANIE STRUKTRY TIOSIARCZANU ZA POMOCĄ RADIONUKLIDU 35S
Wymagania do kolokwium
Metody otrzymywania związków znakowanych. Oddziaływanie promieniowania α, β i γ z
materią. Efekt fotoelektryczny, efekt Comptona, tworzenie par elektron- pozyton,
promieniowanie hamowania, zjawisko Augera, wychwyt K, wewnętrzny fotoefekt.
Wykonanie ćwiczenia
1. Przygotowanie promieniotwórczej siarki: W kolbie stożkowej o pojemności 100 cm3
umieszczamy ok. 50 mg nieaktywnej siarki, rozpuszczonej w 1-2 cm3 CS2. Do kolby dodajemy
0.1 cm3 benzenowego roztworu 35S (objętość może się zmieniać w zależności od aktywności
właściwej użytego preparatu). Zawartość kolby skłócamy, aż do całkowitego rozpuszczenia
siarki. Następnie dodajemy do kolby ok. 10 cm3 acetonu. Wytrąca się drobny, koloidalny osad
siarki, który przemywamy przez dekantację acetonem i wodą.
2. Otrzymywanie znakowanego tiosiarczanu: Tiosiarczan otrzymujemy przez gotowanie siarki w
roztworze siarczanu(IV) sodu:
Na2SO3 + 35S → Na235SSO3
13
Do przygotowanego uprzednio osadu siarki, zawierającej 35S dodajemy 50 cm3 roztworu
siarczanu(IV) sodu o stężeniu 0.025 mol/dm3 (w celu otrzymania takiego roztworu należy
odważyć ok. 315 mg Na2SO3 i rozpuścić w wodzie, w kolbce miarowej o poj. 100 cm3).
Mieszaninę reakcyjną umieszczamy pod chłodnicą zwrotną i gotujemy 30-40 min. Nadmiar
siarki odsączamy a przesącz dzielimy na dwie, mniej więcej równe części.
3. Hydroliza tiosiarczanu: Do jednej porcji otrzymanego tiosiarczanu dodajemy ok. 20 cm3
roztworu AgNO3 o stężeniu 0.6 mol/dm3. Wytrąca się żółty osad tiosiarczanu srebra, który
szybko ulega rozkładowi przechodząc w czarny osad siarczku srebra.
Osad siarczku srebra odsączamy i mierzymy jego aktywność. Przesącz zadajemy niewielką
porcją nasyconego roztworu wodorotlenku baru.
Wytrącony osad siarczanu(VI) baru odsączamy i zachowujemy do pomiaru aktywności.
4. Rozkład tiosiarczanu a pomocą HCl: Przygotowujemy zestaw złożony z kolby trójszyjnej,
płuczki i pompki wodnej. W kolbie umieszczamy kapilarę doprowadzającą powietrze i
podłączamy płuczkę wypełnioną nasyconym roztworem Ba(OH)2, który pochłania SO2.
Przepływ SO2 wymuszamy za pomocą pompki wodnej. Do kolby wprowadzamy drugą porcję
otrzymanego tiosiarczanu sodu oraz kilka cm3 stężonego HCl. Następuje rozkład tiosiarczanu:
Aby całkowicie wydzielić SO2 rozkład prowadzimy w ciągu 40 min w temp. 60-80oC. Po
odpędzeniu SO2 wytrąconą siarkę koagulujemy przez gotowanie, odsączamy i osad
zachowujemy do pomiaru aktywności. Odsączamy również osad wytrącony w płuczce.
Wytrącony osad siarczanu(IV) baru zachowujemy do pomiaru aktywności.
5. Pomiary aktywności: Otrzymane osady suszymy lampą promiennikową i przenosimy do
naczynek pomiarowych. Aktywność mierzymy za pomocą okienkowego licznika G-M, którego
tło i punkt pracy należy wyznaczyć wcześniej.
Opracowanie wyników
Należy dokładnie opisać przebieg eksperymentu z podaniem obserwacji.
Napisać równania przebiegających reakcji.
Podać wartości zmierzonych aktywności wszystkich produktów.
Przedstawić wnioski dotyczące struktury tiosiarczanu.
Literatura:
1. J. Sobkowski, M. Jelińska-Kazimierczuk: Chemia Jądrowa wyd. ADAMANTAN 2006
2. A.N. Niesmiejanow, Radiochemia, PWN, 1975.
3. J. Araminowicz, K. Małcużyńska, M. Przytuła, Laboratorium fizyki jądrowej, PWN, 1984.
Ćwiczenie 7
PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA
Wymagania do kolokwium
Przemiany jądrowe. Promieniotwórczość naturalna. Promieniowanie kosmiczne. Szeregi
promieniotwórcze. Właściwości charakteryzujące radionuklidy. Wykorzystanie izotopów
naturalnych. Izotopy promieniotwórcze otrzymywane sztucznie i ich zastosowanie. Działanie
promieniowania jonizującego na organizmy żywe.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą pomiaru aktywności substancji zawierających
naturalne izotopy promieniotwórcze.
14
1. Wyznaczanie składu mieszaniny NaCl i KCl na podstawie pomiaru aktywności
radioizotopu K-40
Izotop 40K jest β - radionuklidem o okresie półtrwania 1,26 miliardów lat. Jego zawartość w
naturalnym składzie izotopowym wynosi 0,01%
Wykonanie ćwiczenia cz. 1:
Pomiaru aktywności 40K dokonujemy za pomocą licznika G-M umieszczonego w domku
ołowianym i połączonego z przelicznikiem oraz z zasilaczem wysokiego napięcia.
Warunki pracy licznika: Ua = 700V, napięcie dyskryminacji – 5V
Czas pomiaru – 5 minut
Sporządzenie krzywej wzorcowej zależności aktywności próbki mieszaniny soli od jej składu:
a. przygotowanie próbek mieszaniny soli KCl – NaCl
Zawartość KCl w mieszaninie w % masowych
0%
20%
40%
60%
80%
100%
b. pomiar tła
c. pomiar aktywności próbek
d. wykreślenie krzywej wzorcowej – zależność aktywności mierzonej od zawartości % KCl
w próbce
e. pomiar próbki badanej i określenie jej składu
Opracowanie wyników cz. 1
W opisie ćwiczenie należy:
- krótko omówić występowanie, rolę i zastosowanie radionuklidu 40K,
- wykreślić krzywą wzorcową na podstawie otrzymanych punktów pomiarowych,
- określić zawartość nuklidu 40K w badanej próbce,
- oszacować błędy pomiarów.
2. Pomiar aktywności próbek pierwiastków posiadających naturalne radionuklidy:
Rb, Lu, La, Th, U
Wykonanie ćwiczenia cz. 2
Pomiaru aktywności próbek dokonujemy za pomocą licznika G-M umieszczonego w domku
ołowianym i połączonego z układem wysokiego napięcia i przelicznikiem j.w.
Należy dokonać:
a. Pomiaru tła
b. Pomiaru aktywności wcześniej przygotowanych próbek:
chlorku
chlorku
azotanu(V)
potasu
rubidu
lantanu
Czas pomiaru – 300 s
tlenku
lutetu
azotanu(V)
toru
octanu
uranylu
Opracowanie wyników cz. 2:
- porównać aktywność próbek chlorku potasu mierzonych w pojemniku głębokim i płaskim
- napisać, jakim przemianom ulegają badane radionuklidy (korzystając z tablic)
- podać ich zawartość w naturalnym składzie izotopowym,(j.w.)
- przedyskutować różnice w aktywnościach mierzonych radionuklidów,
- podać, w jaki sposób wykorzystuje się badane naturalne radionuklidy.
Literatura:
A. Czerwiński – Energia jądrowa i promieniotwórczość.
A. Czerwiński – Blaski i cienie promieniotwórczości.
15