Neutron đang tìm kiếm kẻ giết người hoặc Bản ghi phân tích kích hoạt

NEUTRO TÌM KIẾM Kẻ giết người,
hoặc Bản ghi phân tích kích hoạt

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
A. S. STEINBERG

Tiêu đề của bài viết này được gợi ý bởi một cốt truyện trinh thám mà người đọc kiên nhẫn sẽ làm quen ở phần cuối. Trong lúc này, chúng ta hãy xem xét những thứ khác xa với pháp y và hãy nói về cách bạn có thể xác định thành phần hóa học của một chất, nghĩa là tìm ra những nguyên tố nào và tỷ lệ nào có trong một mẫu.

Từ khóa học hóa học của mình, bạn biết rằng điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các phản ứng hóa học đặc trưng của các chất và nguyên tố, sử dụng các phương pháp được gọi là “hóa học ướt”. Tuy nhiên, trong một số trường hợp việc áp dụng các phương pháp này gặp khó khăn nghiêm trọng. Ví dụ, khi cần thực hiện phân tích hóa học đối với một mẫu rất nhỏ; khi cần độ chính xác cực cao của việc phân tích nhiều nguyên tố cùng lúc. Ví dụ, nó có thể yêu cầu xác định một nguyên tử “ngoại lai” trong số một triệu hoặc 100 triệu nguyên tử khác và xác định nó thuộc loại gì.

Và tình hình không có nghĩa là suy đoán. Đặc biệt, chúng phát sinh trong công nghệ bán dẫn hiện đại. Càng ngày họ càng nói rằng sau thời kỳ đồ đá, thời kỳ đồ đồng và thời kỳ đồ sắt đã xuất hiện

45

silicon Silicon tạo thành nền tảng của các mạch liên tiếp thu nhỏ, ngày nay không thể thiếu các mạch điện tử này. Và đặc tính của chúng phụ thuộc rất nhiều ngay cả vào hàm lượng tạp chất cực kỳ thấp. Nếu không có khả năng xác định thành phần của các mẫu silicon nhỏ với độ chính xác rất cao thì tiến trình phát triển các thế hệ máy tính mới là không thể.

Bạn làm gì trong những trường hợp như vậy?

Người ta đã biết khoảng 100 năm nay rằng các phương pháp phân tích hóa học hiệu quả nhất thường là phương pháp vật lý. Và trong số đó, nhà vô địch thực sự về độ nhạy là phân tích kích hoạt neutron (NAA). Để giải thích các nguyên lý của nó, trước tiên chúng ta nhớ lại cấu trúc của hạt nhân nguyên tử.

Hạt nhân nguyên tử bao gồm các proton tích điện dương và neutron điện. Số lượng proton xác định điện tích của hạt nhân và đóng vai trò là đặc tính chính của nó. Một số nguyên tố khác với những nguyên tố khác chủ yếu ở số lượng proton trong hạt nhân. Nguyên tố đầu tiên của bảng tuần hoàn - hydro (H) - có một proton trong hạt nhân, nguyên tố thứ hai - helium (He) - hai, v.v. Chà, có bao nhiêu neutron trong hạt nhân? Hóa ra hạt nhân của cùng một nguyên tố có thể chứa số nơtron khác nhau. Những hạt nhân có cùng số proton nhưng khác nhau về số nơtron gọi là đồng vị.

Hãy để chúng tôi giải thích điều này bằng một ví dụ. Luôn có hai proton trong hạt nhân helium. Và neutron có thể là 1, 2, 4 hoặc 6, tức là có 4 đồng vị của He - $^3$He, $^4$He, $^6$He, $^8$He (chỉ số biểu thị tổng số proton và neutron). Thiếc có số lượng đồng vị kỷ lục - 10, xenon có 9 đồng vị, cadmium và Tellurium có 8, v.v. Các đồng vị tự nhiên phân bố không đều. Theo quy định, phần lớn nhất (90% hoặc hơn) trong tổng trữ lượng tự nhiên của một nguyên tố là cùng một đồng vị.

Tính chất hóa học của các đồng vị là như nhau. Nhưng những cái vật lý có thể khác nhau và rất đáng chú ý. Ví dụ, do có thêm neutron “thêm”, trọng lượng nguyên tử của các đồng vị khác nhau của một nguyên tố là khác nhau. Nhưng đây là điều chính đối với chúng tôi. Một nhóm lớn các đồng vị có một đặc tính đáng kinh ngạc - tính phóng xạ. Chúng là những nguồn bức xạ không thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được nhưng có thể được ghi lại bằng các thiết bị đặc biệt - máy dò bức xạ. Đơn giản nhất trong số đó là bộ đếm quang nhựa và Geiger. Chúng ta sẽ không đi sâu vào câu hỏi về bản chất của bức xạ. Nó phức tạp và nằm ngoài phạm vi của bài viết này. Nhưng để cho rõ ràng, bạn có thể hình dung bức xạ như một dòng hạt vô hình.

Sự phát xạ của mỗi đồng vị phóng xạ có tính đặc hiệu cao. Đây là chân dung cá nhân của anh ấy, độc nhất vô nhị, giống như dấu vân tay của con người. Đặc điểm đặc trưng nhất trong bức chân dung này là năng lượng bức xạ (đối với chúng ta - năng lượng của các hạt) và chu kỳ bán rã.

Chu kỳ bán rã là gì, có tương đối ít lời giải thích. Sử dụng máy dò, bạn không chỉ có thể ghi lại bức xạ mà còn có thể đo cường độ của nó, tức là xác định có bao nhiêu hạt rơi trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Cường độ càng lớn thì mức độ tăng năng lượng vật lý càng cao. Bộ đếm Geiger nhấp chuột càng thường xuyên, v.v.

46

Pis. 1.
Chu kỳ bán rã của một đồng vị (ký hiệu $T_{1/2}$) là thời gian mà cường độ bức xạ của nó giảm đi một nửa. Trong thời gian này, một nửa số hạt nhân phóng xạ ban đầu chuyển sang trạng thái không phóng xạ (như người ta nói, ổn định). Chu kỳ bán rã của các đồng vị khác nhau là khác nhau - từ một phần giây đến hàng triệu năm. Các máy dò đặc biệt không chỉ đo cường độ bức xạ mà còn đo quang phổ của nó - biểu đồ biểu thị sự phụ thuộc của cường độ bức xạ vào năng lượng của nó. Một ví dụ về phổ như vậy được hiển thị trong hình 1. Các “gai” cường độ sắc nét được gọi là các vạch phổ - chúng tương ứng với bức xạ từ các đồng vị khác nhau. Bằng cách sử dụng các bảng được biên dịch trước, mỗi dòng có thể dễ dàng được liên kết với đồng vị “riêng” của nó (đây là cách các đồng vị được chỉ ra trong hình được “công nhận”).

Do đó, cấu trúc của phổ phát xạ quyết định chất lượng phân tích hóa học bài toán của mẫu, tức là, nó cho phép chúng ta xác định nó bao gồm những nguyên tố phóng xạ nào.

Những gì chúng tôi đã nói cho đến nay hẳn đã thuyết phục bạn, những độc giả thân mến, về một điều: nếu các mẫu trạng thái là từ các đồng vị phóng xạ, thì việc xác định thành phần định tính của chúng từ quang phổ sẽ tương đối dễ dàng. Nhưng vấn đề ở đây là: các mẫu “bình thường” được tạo ra từ các đồng vị không phóng xạ tự nhiên. Do đó, để tiến hành phân tích, chúng phải được kích hoạt, nghĩa là tạo ra chất phóng xạ. Có nhiều cách khác nhau để kích hoạt. Cách dễ nhất là “bắn phá” mẫu trong lò phản ứng bằng neutron. Chúng là những chất trung hòa về điện, có thể cho phép hạt nhân tích điện dương và không có tính phóng xạ.

Hình 2.

47

(ổn định) đồng vị có thể trở thành chất phóng xạ.

Bằng cách sử dụng phổ phát xạ, bạn không chỉ có thể thực hiện phân tích định tính mà còn có thể thực hiện phân tích định lượng để tìm ra có bao nhiêu nguyên tử của một đồng vị cụ thể có trong một mẫu. Thực tế là cường độ bức xạ của đồng vị tỷ lệ thuận với số lượng hạt nhân của nó. Có các tiêu chuẩn (tức là các mẫu có hàm lượng đã biết trước của phần tử được phân tích), bằng cách kích hoạt chúng, có thể xây dựng biểu đồ về sự phụ thuộc này. Và bằng cách đo cường độ phát xạ của một đồng vị nhất định trong mẫu thử nghiệm đã được kích hoạt cùng với chất chuẩn, người ta dễ dàng xác định hàm lượng của đồng vị này từ biểu đồ. (Sau những gì chúng tôi đã nói về chu kỳ bán rã, bạn nên hiểu tại sao việc kích hoạt mẫu và chất chuẩn cũng như sự thay đổi quang phổ của chúng lại được thực hiện đồng thời. Nếu điều kiện này không được đáp ứng, thì để xác định lượng đồng vị từ đồ thị chuẩn, cần phải hiệu chỉnh chu kỳ bán rã.)

Phương pháp phân tích định tính và định lượng mà chúng tôi mô tả được gọi là phân tích kích hoạt neutron - HAA.

Bảng hiển thị danh sách các nguyên tố có hàm lượng silicon rất quan trọng cần biết. Nó liệt kê các đồng vị tự nhiên (ổn định), các đồng vị phóng xạ có thể phát hiện được với đặc tính chu kỳ bán rã và độ nhạy HAA đối với chúng (tức là nồng độ tối thiểu mà nguyên tố đó có thể được phát hiện). 1 cm³ silicon chứa khoảng 102³ nguyên tử, vì vậy bạn có thể tự mình chứng kiến ​​khả năng phá kỷ lục của HAA.

hình 2 hiển thị dữ liệu thu được bằng phương pháp HAA về hàm lượng tạp chất trong silicon từ ba công ty khác nhau của Mỹ cung cấp vật liệu này cho ngành công nghiệp điện tử. Nồng độ tương đối cao của một số nguyên tố, đặc biệt là sắt và crom, đòi hỏi phải tinh chế thêm silicon trước khi chuẩn bị các mạch tích hợp.

Nếu không… chiếc máy tính sẽ không xứng đáng với sự tin tưởng của bạn.

Và kết luận - âm mưu dò tìm đã hứa.

Ngày 13/5/1958, tại thị trấn Edmundstone của Canada, nằm gần biên giới Canada-Mỹ, người ta phát hiện ra chuyến đi của cô gái 16 tuổi Gaztanna Bouchard. Những nghi ngờ dựa trên bằng chứng gián tiếp đổ dồn vào John Vollman người Mỹ, người thường thừa nhận kinh doanh ở Edmundston. Tuy nhiên, anh ấy đã dứt khoát phủ nhận việc tham gia vào buổi biểu diễn. Cuộc điều tra đang rất cần bằng chứng trực tiếp.

Một cuộc kiểm tra kỹ lưỡng tác phẩm của Bouchard cho thấy một sợi tóc vẫn còn được kẹp trong tay cô gái. Anh ta