Лабораторная работа №5. Определение содержания

Калия в удобрениях по бета-активности

Толстослойного образца

В природной среде присутствуют три основных изотопа калия: два стабильных – ³⁹К и ⁴¹K (их распространенность составляет соответственно 93,08 и 6,91%), а также один радиоактивный – ⁴⁰К (0,0118%). Период полураспада ⁴⁰К равен 1,3∙10⁹ лет, при этом 89% ядер этого изотопа распадаются с испусканием бета-частиц, максимальная энергия которых составляет 1,33 МэВ. Кроме этого у 11% ядер происходит захват орбитального электрона ядром. Наиболее вероятен захват ядром электрона с К-орбитали, находящейся в непосредственной близости к ядру. Поэтому процесс электронного захвата часто называют

К-захватом. При бета-распаде ⁴⁰К превращается в стабильный изотоп кальция ⁴⁰Са, при К-захвате образуются возбужденные ядра ⁴⁰Аг (аргон), переход которых в основное состояние сопровождается испусканием гамма-квантов, энергия которых составляет 1,46 МэВ.

В каждом грамме природного калия содержится 27 Бк ⁴⁰К. Если принять среднее содержание калия в разных типах почв изменяющимся от 0,33 до 2,64 %, то это значит, что поверхностная активность ⁴⁰К в пахотном слое почвы составляет (2,7–21,6)·10⁴ Бк/м² или

0,7–5,8 Ки/км²).

Изотоп ⁴⁰К – один из основных (по активности) естественных радионуклидов в почвах, растениях и объектах агропромышленного производства. В процессе хозяйственной деятельности человека потоки калия и в том числе ⁴⁰К в компонентах биосферы увеличиваются. Основным источником поступления калия в биосферу являются калийные удобрения. При средних нормах внесения калийных удобрений 60 кг/га в почву поступает ⁴⁰К в количестве 1,35·10⁶ Бк/га.

В силу постоянства изотопного состава можно судить о содержании калия в образце по его радиоактивности. Так как содержание ⁴⁰К в природном калии мало, а его период полураспада велик, то активность образцов, содержащих калий, может быть достоверно измерена только в том случае, если используют большие навески, т. е. проводят измерения методом толстослойных образцов. Применяя этот метод, удельную бета-активность определяют в образцах такой толщины, что ее дальнейшее увеличение не приводит к увеличению выхода из образца бета-частиц.

Скорость счета бета-частиц, испускаемых толстослойным образцом, зависит от удельной активности и не зависит от массы и плотности образца.

Пробег бета-частиц ⁴⁰К можно вычислить по эмпирической формуле для бета-частиц с Е_макс >0,8 МэВ:

R_макс = 0,54 Е_макс – 0,15.

Для изотопа ⁴⁰К максимальная энергия бета-частиц (Е_макс) равна 1,33 МэВ и пробег равен 0,57 г/см². При плотности порошкообразных образцов около 2 г/см³ слой полного поглощения бета-излучения, например в КС1, будет около 3 мм. Следовательно, слои разной толщины, превышающие 3 мм, будут давать бета-активность, пропорциональную содержанию калия в том случае, если геометрическое расположение образцов относительно счетчика одинаково.

Цель работы: определить содержание калия в удобрениях по его естественной радиоактивности относительным методом.

Материалы и оборудование:радиометр КРВП-3Б, пробы KCl+NaCl с 10-, 20-, 30-, 40- и 53%-ным содержанием калия, удобрения с неизвестным содержанием калия.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Подготовьте радиометр к работе (см. работу №3 п.1–5).

2. Последовательно помещая пробы в измерительную кювету, измерьте число импульсов (n_i+f) за 5 мин (i – номер пробы). Рассчитайте скорость счета от источника с фоном:

(имп/мин)

и скорость счета от источника без фона: N_i = N_i+f – N_f. Результаты измерений занесите в отчет (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Результаты измерений и расчетов

Номер пробы	Содержание калия в пробе, %	Время измерения t, мин	Количество, зарегистри-рованных импульсов ni+f, имп	Скорость счета от источника с фоном Ni+f = ni+f /t, имп/мин	Скорость счета от источника Ni = Ni+f – Nf, имп/мин
	10,0 20,0 30,0 40,0 53,0 ?

3. На основании полученных данных постройте калибровочный график, откладывая по оси абсцисс содержание калия в образце (%), по оси ординат – соответствующее значение N_i (имп/мин).

4. Определите скорость счета от пробы (№6) с неизвестным содержанием калия.

5. По калибровочному графику определите содержание калия в исследуемом образце.

8. Рассчитайте (если известна химическая формула) процентное содержание калия в анализируемом образце и сравните с результатом, полученным в п.5.

Контрольные вопросы

1. Какие нуклиды содержит естественная смесь калия?

2. Какой из нуклидов является радиоактивным?

3. Сколько процентов приходится на долю калия-40 в природном калии?

4. Каков период полураспада радионуклида калия-40?

5. Каким образом происходит радиоактивный распад ядер калия-40?

6. Какие виды излучений сопровождают радиоактивный распад ядер калия-40?

7. Чему равна энергия излучений, выделяющихся при распаде ядер калия-40?

8. Чему равна активность 1 г природного калия?

9. Зависит ли скорость счета бета-частиц, испускаемых толстослойным образцом, от толщины образца?

10. Как называют слой образца, по достижении которого не происходит увеличение скорости счета?

11. Как определяется толщина слоя полного поглощения бета-частиц калия-40?

12. Как построить калибровочный график?

13. Как с помощью калибровочного графика определить содержание калия в исследуемом образце?

14. Чему равна поверхностная активность ⁴⁰К в пахотном слое почвы?

15. Назовите основные источники поступления калия-40 в почву.