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环境分析中的放射性种类

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环境分析中的放射性种类放射性是具有不稳定核的元素的一种特性。在不稳定核向更稳定的状态过渡时,这些核素以具有动能的粒子或以电磁辐射的形式释放出能量。向稳定态过渡的进程可以一步完成,也可以是几步连续的能量释放过程。通常放射性辐射的种类有:a、β-、正电子β+、y、电子俘获(e.c.)或中子(n)。α辐射是放射出带有两个正电荷的氦(He2+),其放出能量的形式是粒子的动能。β辐射是放射出高速运动的电子,其释放的能量也是粒子的动能。正电子辐射也同B辐射一样,不同的是粒子带正电。y辐射即电磁辐射,其量子化的能量由具有一定特征频率的光子放出。电子俘获的情况是原子核从原子周围的一个内层轨道俘获一个电子而变得更为稳定。这样就会在电子层内产生一种不稳定性,并通过电子的重新排列而放射出X-射线。中子发射是在不带电荷的状态下质量单位的损失;其能量以中子的动能来表示。这些在放射性衰变过程中产生的种种辐射,以各具特征的方式向周围的物质释放出它们的能量。然而它们都是高能辐射,而同X-射线一样又都是电离辐射,即当它们与周围物质的原子相互作用时,将从原子中置换出电子,而由足够的动能所置换出来的电子本身引起进一步的电离作用。带较大电荷、运动较慢的a粒子对周围物质中原子的电子作用非常强烈。它们在短路程中损失它们的动能,从而引起短距离内的强电离作用。β粒子也是带电的,但它们的质量都小于a粒子,它们的速度则较高。因此,它们穿透物质的深度比a粒子大,从而只能产生较小密度的电离作用。γ辐射与周围物质中电子的作用几率比粒子辐射小得多,因此在丧失其能量之前可以穿透更远的距离。γ辐射可依下列三种方式之二耗散其能量。1、光电效应。通过这一效应,γ射线的能量转移给单个的原子,从而引起该原子放出一个光电子。γ射线所具有的任何超过释放电子所需的能量,都将以动能的形式传递给电子。然后该电子在引起周围物质电离时失去其动能。2、康普顿散射。γ射线与吸收物质中的电子相互作用,在每次作用中损失其中一部分能量。3、电子对的生成。γ射线的能量在该过程中转变为物质,即产生一个正电子和一个电子。中子不与周围物质的电子起作用,但能穿透原子核。它们可以在核中相互作用,或者通过中子的散射而丧失能量,或者中子被吸收。如果中子被吸收,将形成一种能衰变的新的不稳定的核。衰变中产生的各种具有特征的放射性特性,可用来鉴别和测量放射性物质。由特定核素产生的a粒子,基本上具有该核素所特有的同一种能量。该能量的范围为4~8兆电子伏。γ射线的能阶是特定核素及衰变过程的特征,其范围通常为0~25兆电子伏。放射的β粒子不具有单一能阶,其能量范围从零至最大值是该核素的特征。辐射测量原测量辐射是观测辐射为一种物质吸收时所发生的相互作用。这些相互作用可以产生电离、光、电或热。通常采用的三种探测器是:电离探测器、闪烁探测器和半导体探测器。电离探测器如果辐射被电离室中的气体吸收,该气体将发生电离,产生的正负离子可由带电电极收集。在电极之间流过的电流即该气体中产生的电离作用的量度。此电离作用则随电离室大小、每秒钟产生的衰变数、每次衰变释出的能量、在电离室被吸收的部分能量以及气体的电离能而变。为了提高效率,最好将放射性物质放在电离室内,这样,辐射能就不会因为穿透室壁而损失。当测定a粒子时尤其如此,因为a粒子的穿透力低。为了方便起见如不愿拆卸电离室,有些电离室则可在其一端装以薄层窗使用。辐射也应在电离室内完全被吸收,以获得高的效率。在难于吸收的γ射线的情况下,电离室中气体可由加压而增加密度。电离室所用的气体种类很重要。当使用空气时,其中的氧趋向与电离过程中产生的电子结合而形成负的氧离子。这类重离子远比自由电子难以收集,从而使输出的电量下降。当使用惰性气体时可获得较好的电输出量。当电离室中发生电离时,直到给一定电压之前并没有电流流动。从加上电压这点开始,电流随电压的增加而增加,直到全部电离物质均被收集为止。超过这一电压(饱和电压)后,电流将不随电压而增加。在这一工作范围内,所给电压的小幅度变化对所测定电流不起作用。当测定低能量的辐射时,难于精确测定电离电流,这时用电离作用的计数来代替电流的测定。每次电离作用产生若干电子,这些电子被收集从而产生一个小的电流脉冲。这些脉冲数被记下。在这种脉冲式的工作中,充气很重要,因为所产生的离子必须借此迅速收集,从而给出一个敏锐的脉冲。为了改进这种脉冲测定的灵敏度,就要增高电离室收集电极上所给的电压,使被收集的电子得到大大加速。这样,这些电子就能以足够高的速度迁移,从而在充气介质中引起进一步电离。因此,每一初级电离都将导致一连串的次级电离。所得的信号可以获得10倍的放大。按此方式工作的计数器成为正比计数器。因为所得输出脉冲的大小是与最初的电离能量成正比的,所以输出脉冲的大小除了用来测定总计数以外,还可用来测定辐射的能量。但得到的放大作用是所加电压的函数,因此如果要做能量甄别的话,这个电压就必须仔细加以控制。对于a粒子的能量甄别,可用栅极式电离室。它的构造是在电离室的源电极和收集板极之间装上一个准直仪,并加一栅极以屏蔽收集极使其不受正离子的影响。当电压超过了正比计数的需要时,正极周围的电压梯度可增高到使次级电离放电沿着电极方向展开的程度。这时输出脉冲的大小将与最初的电离能量无关;每发生一次电离作用都会在正极引起完全放电,并因此产生一个大的脉冲。这就是熟知的盖革(计数)区(Geigerregion),并使用于盖革计数探测器中。使用高收集电压时产生的一个问题是,在负极上正离子也被加速,当这些正离子撞击负极时,它们将引起光电子的生成。这些光电子也将与“初级电离”的电子样,以同样的方式被收集,致使每一次电离作用发生后都将得到一个假的脉冲。克服这一困难的办法是加入一种淬灭性气体以吸收正离子的能量使之不再引起电离。通常用于盖革电离室中的气体是卤素,如溴。此气体被正离子裂解而形成溴原子,然后溴原子再结合而重新形成原来的溴分子。

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