Материал: Мюллер Г. Специальные методы анализа стабильных изотопов

( Д о п о л н е н и е 1)

В. И. Мосичев

Г Л А В А 12.

ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ.

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИЗОТОПНОМУ АНАЛИЗУ ЭЛЕМЕНТОВ

12,1. Общие замечания

Потребность в аналитических средствах контроля изотопно­ го состава привела к развитию за последние 20—30 лет разно­ образных методов изотопного анализа. Одним из них является анализ по эмиссионным атомным и молекулярным спектрам веществ, наблюдаемым в видимой и ближней ультрафиолетовой областях. В развитии метода отчетливо прослеживаются три

основных этапа.

Уже первые исследования электронно-колебательных спек­ тров двухатомных молекул, выполненные в тридцатых годах, позволили обнаружить у кислорода, углерода, азота и кремния

привели к обнаружению у таллия изотопов 203Т1 и 205Т1 [7], поз­ волили открыть изотоп свинца 204РЬ [8 ], дейтерий [9], четыре изотопа платины 194Pt, 195Pt, 196Pt и 198Pt [10], оценить геологи­

ческий возраст Земли [11] и выполнить ряд других важных ра­ бот. С началом работ по разделению изотопов спектральный метод нашел применение для анализа обогащенных дейтерием

процессов электромагнитного разделения изотопов рубидия [14] и таллия [15]. Таким образом, круг вопросов и задач, решае­

для атомной техники. Сюда относится разработка методик ко­ личественного определения изотопного состава металлического урана и его соединений, тяжелой воды и газообразных смесей водорода с дейтерием, разделенных и обогащенных изотопов

примесного изотопа меньше 10 ат. %. Одним из важных выяв­ ленных преимуществ спектрального метода оказалась незави­ симость результатов анализа в большинстве случаев от посто­ ронних компонентов в пробе. Поэтому в отличие от многих, других методов, применяемых для определения изотопного со­ става обогащенных продуктов, спектральный анализ не требует предварительной очистки образца. Это обстоятельство значи­ тельно увеличивает надежность градуировки измерении с по­ мощью образцов известного изотопного состава и правильность получаемых результатов. Немаловажным итогом работ этого периода является также создание достаточно простых схем ана­ лиза и применяемой для этой цели аппаратуры.

Ассортимент выпускаемых в настоящее время изотопных соединений довольно разнообразен и затрагивает в тои^ или иной степени подавляющую часть элементов периодической си­ стемы, а для некоторых, наиболее важных в практическом от­ ношении изотопов химическая номенклатура препаратов исчис­ ляется десятками и сотнями наименований. Естественно поэто­ му, что объектом исследований в области изотопного спектраль­ ного анализа, относящихся к последнему периоду времени, яв­ ляется разработка методов анализа новых изотопных комби­ наций, включающих как легкие и тяжелые элементы, так и эле­ менты средней части периодической системы. Поэтому пред­ ставляет интерес оценить потенциальные возможности спек­ трального анализа как общего метода контроля изотопного

состава.

При рассмотрении возможностей анализа той или иной изо­ топной комбинации необходимо задаться определенной схемой. Для анализа по атомным спектрам такой наиболее типичной схемой можно считать возбуждение спектров в разрядной труб­ ке с охлаждаемым полым катодом при регистрации структуры

терием при этом является отношение величины изотопического смещения в линии к ширине отдельных изотопических компонент, которая определяется совокупным действием применяемого источника возбуждения спектров и аппаратурной функции спектрального прибора. Следует отметить, что в целом изото­ пический эффект в атомных спектрах крайне мал и часто на­ ходится вблизи границы экспериментальных возможностей спектроскопии высокой разрешающей силы. Поскольку в такой ситуации успех или неудача в разработке методики изотопного анализа в сильной степени зависит от правильного выбора ана­ литической линии, а также условий регистрации ее структуры, рассмотрим возможности разрешения малых изотопических сме­ щений в рамках вышеуказанной схемы анализа.

.306

12.2. Температура газа в источниках света

для изотопного спектрального анализа

Наибольшее распространение в изотопном спектральном анализе по атомным спектрам получили способы возбуждения спектров в разрядных трубках с полым катодом в ВЧ-разряде. Ширина линий в этих источниках обусловлена главным обра­ зом эффектом Доплера и зависит, следовательно, от темпера­ туры газа в разряде. Все остальные источники ушйрения ли­ ний играют пренебрежимо малую роль.

Согласно представлениям, развитым в работе [17], при раз­ ряде в полом катоде мощность электрического тока передается нейтральным атомам газа в результате упругих соударений атомов с электронами в зоне свечения и в области темного ка­ тодного пространства, упругих соударений атомов с ионами в зоне свечения и перезарядки атомов и ионов в области темного катодного пространства. Отвод же тепловой энергии газа осу­ ществляется путем потерь на излучение, конвекцию и тепло­ проводность.

Решение уравнения теплопроводности для однородного изо­

тропного и бесконечно длинного цилиндра, полученное автора­ ми работы [17], имеет вид

Насколько хорошо развитая теория формирования газовой температуры разряда соответствует истинному положению ве­ щей, можно видеть из рис. 1 2 .1 , на котором расчетные кривые

зависимости газовой температуры от силы тока и давления рабочего газа сопоставлены с полученными экспериментально. Можно видеть, что формула (1 2 .1 ) качественно правильно от-

ражаёт температурный режим разряда в полом катоде, однако результаты расчета получаются завышенными по сравнению с

20* 307