Neutronowa analiza aktywacyjna
Metoda analityczna wykorzystująca zjawisko przemiany trwałych jąder atomowych w radioaktywne, a następnie pomiar emitowanego przez nie promieniowania, to neutronowa analiza aktywacyjna (z ang. Neutron Activation Analysis, NAA). NAA obejmuje dwa główne etapy, którymi są:
* reakcja jądrowa – wybrane jądro atomowe zostaje zbombardowane przy pomocy neutronu. Ulega ono wzbudzeniu, w wyniku czego emituje tzw. natychmiastowe promieniowanie gamma oraz radionuklid (inaczej izotop promieniotwórczy),
* rozpad promieniotwórczy – po pochłonięciu neutronu przez jądro atomowe powstaje cięższy izotop danego pierwiastka. Radionuklid, wyemitowany podczas wzbudzenia jądra atomowego, ulega dalszym przemianom i rozpada się na trzy składowe: nowe jądro promieniotwórcze, cząsteczkę beta i promieniowanie gamma. Pomiar tego ostatniego pozwala na identyfikowanie powstałych radioizotopów. Cechy promieniowania gamma, które są mierzone, to jego natężenie, energia i półokres rozpadu (charakterystyczny dla każdego radioizotopu). Badanie widm promieniowania gamma przeprowadza się z wykorzystaniem analizy spektrometrycznej.
Aktywacja próbki neutronami jest procesem wysoce efektywnym. Pomimo że obecnie znane są inne metody, które konkurują z neutronową analizą aktywacyjną, to NAA posiada wiele zalet, w tym m.in.: wysoką dokładność i czułość, niski poziom detekcji (na poziomie ppb), możliwość analizy wielopierwiastkowej (nawet do ok. 50 pierwiastków jednocześnie), niewielką ilość potrzebnej próbki (poniżej 1 mg) oraz łatwość jej przygotowania. Ponadto na pomiar znikomy wpływ ma matryca próbki. Poza jakościową identyfikacją możliwa jest również analiza ilościowa, ponieważ intensywność radioaktywności zmienia się liniowo wraz ze stężeniem danego pierwiastka. Znacznym ograniczeniem metody jest brak możliwości oznaczania pierwiastków, które w wyniku aktywacji neutronowej emitują stabilne izotopy lub izotopy niestabilne, ale nieemitujące promieniowanie gamma. Przede wszystkim jednak wykonanie analizy wymaga specjalistycznej oraz kosztownej aparatury i w zależności od próbki może być to proces bardzo czasochłonny.
Oznaczanie składu skał, osadów i minerałów
Określenie składu pierwiastkowego głównych surowców przemysłowych, takich jak wapień, granit czy marmur, jest istotnym krokiem np. w charakterystyce zanieczyszczeń pochodzących z procesów ich przerobu. Jedną z możliwości określenia zawartości poszczególnych składników jest zastosowanie neutronowej analizy aktywacyjnej. Przygotowanie materiału skalnego do badania obejmuje standardowe procedury, jak rozbijanie większych fragmentów, proszkowanie, przesiewanie i zebranie frakcji o wymaganych średnicach ziaren. Ponadto próbkę analityczną homogenizuje się. Tak przygotowany materiał jest zwykle suszony w temperaturze powyżej 100oC do stałej masy i poddawany właściwej analizie. Dokonywany jest pomiar aktywności indukowanej przez napromieniowanie neutronami. Tożsamość i czystość wybranego radionuklidu można sprawdzić za pomocą oznaczeń czasów półtrwania i energii emitowanego promieniowania. Neutronowa analiza aktywacyjna w badaniu skał i minerałów pozwala na jakościową i ilościową analizę z dużą selektywnością, dokładnością i precyzją.
Badanie składu pierwiastkowego w sztuce i archeologii
We współczesnej archeologii i sztuce badanie składu pierwiastkowego obiektów ceramicznych, malarskich i innych jest jednym z najważniejszych kierunków pozwalających z coraz większą dokładnością na ich poznanie i scharakteryzowanie. Należy jednak pamiętać, że w tych dziedzinach nie jest to rozpowszechniona metoda, nie tylko ze względu na wysoki koszt analizy. Najczęściej istniejące procedury nie pozwalają na przeniesienie nawet niewielkiej ilości (do neutronowej analizy aktywacyjnej wykorzystuje się mniej niż jeden gram) badanego materiału. Dlatego NAA częściej stosowana jest jako metoda uzupełniająca, jeśli zachodzi taka konieczność. Niemniej perspektywy jej wykorzystania są obiecujące ze względu na wysoką czułość. Obecnie jest głównie stosowana do ustalania pochodzenia, charakteryzowania technik wytwórczych czy możliwości transportu starożytnych monet, sreber, elementów ceramiki, rzeźb i innych. Ponadto NAA jest jednym z narzędzi pozwalających na weryfikację autentyczności obrazów i dzieł sztuki. Po pobraniu odpowiedniej próbki analitycznej badany jest skład pierwiastkowy poszczególnych warstw tworzących dane dzieło, w tym pigmenty i wypełniacze mineralne czy kamienie szlachetne. Co ważne, metoda ta może być stosowana przy takich rodzajach podłoży, jak: drewno, kamień, płótno, cegła, bursztyn, kość czy metal. Możliwe jest jednoznaczne oznaczanie aż ok. 45 pierwiastków z wysoką czułością. Uzyskane informacje na temat struktury związków chemicznych pigmentów, barwników, podłoży lub spoiw są cenną wskazówką do identyfikacji fałszerstw dzieł sztuki.
Oznaczanie pierwiastków śladowych
Jednym z zastosowań neutronowej analizy aktywacyjnej jest oznaczanie pierwiastków na poziomie śladowym, czyli takich, których stężenie w próbce zawiera się w przedziale od 0,01 do ok. 1 ppm. Przeprowadzanie takich oznaczeń wykonuje się w różnych matrycach, w tym w próbkach biologicznych, np. w ludzkiej krwi można w ten sposób wyznaczyć zawartość rtęci lub selenu. NAA jest także wykorzystywana do oznaczeń izotopów śladowych występujących np. w osadach rzecznych i morskich, jak 238U i 232Th. Innym zastosowaniem jest określenie zawartości pierwiastków śladowych w stopach metali i metalach szlachetnych, półprzewodnikach, materiałach wysokiej czystości, materiałach ogniotrwałych czy wodzie i ściekach.
KOMENTARZE