Для анализа примесей концентрацией IO-4 % и менее обычные приемы оказываются неэффективными. Однако в современной технике требования к чистоте материалов постоянно растут. И для научных исследований иногда оказывается важным знать чистоту материала с очень высокой точностью. Это привело к созданию ряда исключительно чувствительных методов анализа. Рекордсменом здесь является так называемый радиоактивационный (или просто активационный) метод, который «улавливает» некоторые примеси до концентраций 10_б—10_10%.
Впервые он был применен в 1936 году работавшими в Дании венгерскими исследователями Д. Хевеши и Г. Леви. Но настоящее развитие получил уже после войны. Принцип анализа достаточно прост, хотя его практическое выполнение иногда вырастает в настоя-» щее научное исследование.
Многие элементы, которые в естественном состоянии нерадиоактивны, можно превратить в излучающие (активировать), если подвергнуть их бомбардировке ядерными частицами. Как правило, для этой цели используются нейтроны. Радиоактивное излучение каждого изотопа специфично, т. е. обладает своей энергией и своим периодом полураспада (временем, когда интенсивность излучения ослабляется вдвое). Поэтому если измерить эти характеристики, то затем с помощью таблиц легко произвести «опознание». Общая активность изотопа пропорциональна числу его ядер, и это позволяет проводить количественный анализ.
Важным преимуществом радиоактивационного анализа (помимо высокой чувствительности) является то, что можно не беспокоиться о возможности загрязнения образца. Даже если после активации в реакторе в образец и попадут примеси, они все равно останутся не замеченными детектором, так как не будут излучать.
На счету у активационного нейтронного анализа не одно серьезное достижение. Но, может быть, более всего впечатляют его успехи в… криминалистике.
13 мая 1958 года в канадском городке Эдмундсто – не, расположенном около канадско-американской границы, был обнаружен труп 16-летней девушки Гаэ – таны Бушар. Подозрения на основании косвенных улик пали на молодого американца Джона Фоллмена, который часто приезжал по делам в Эдмундстон. Тот, однако, категорически отрицал свою причастность к преступлению. Следствие остро нуждалось в прямых доказательствах. Тщательный осмотр трупа Бушар установил, что в руке девушки остался зажатым единственный волосок. Он мог принадлежать либо ей, либо убийце.
Можно ли по одному волоску точно идентифицировать личность его хозяина? Такой вопрос полицейские поставили перед специалистом по нейтронному активационному анализу Робертом Джерви. Для ответа тому пришлось выполнить сложное исследование. Основная идея состояла в том, что для волос каждого человека характерен свой неповторимый набор и концентрация микроэлементов, Нтобы доказать
Ее правильность, Джерви пришлось обследовать волосы десятков людей. В результате кропотливой работы удалось доказать, что найденный волосок действительно принадлежит Фоллмену, и это стало решающим доказательством его вины. Ни одному другому методу, кроме радиоактивационного анализа, такая задача была не по силам. Ведь речь шла о мышьяке, натрии, меди, цинке, броме, концентрация которых в человеческих волосах не превосходит Ю-6 %.
А вот еще пример. На этот раз — из мира сплавов. Гафний и цирконий считаются металлами-близнецами. Они схожи почти во всем, и до 1923 года это мешало открыть гафний — исследователи принимали его за открытый на полтора столетия раньше цирконий.
Цирконий, в котором всегда в качестве примеси содержится гафний, довольно давно использовался в составе специальных сталей и бронз и при этом гафний из-за схожести свойств помехой не становился. И вдруг выяснилось, что в одном отношении «близнецы» очень разнятся. Цирконий, в отличие от многих металлов, легко пропускает нейтроны. Поэтому из него стали изготовлять оболочки урановых стержней для реакторов. Присутствие гафния при этом оказалось крайне нежелательным; например, даже 0,02 % гафния в 6,5 раз снижает нейтронную прозрачность циркония. В этих условиях было важно найти точный метод выявления содержания гафния в цнрконии. Как вы уже догадались, незаменимым оказался радиоактивационный анализ. Он чувствует даже Ю-4 % гафния — меньше, чем любые другие методы.
Применение радиоактивационного анализа позволяет взглянуть на так называемые чистые металлы совсем другими глазами. В табл. 1 приведены полученные с помощью этого метода данные по содержанию примесей в особо чистом промышленном алюминии.
Таблица 1 Содержание примесей в алюминии высокой чистоты
Примесь |
Концентрация, IO-4 мае. % |
Примесь |
Концентрация, Ю-4 мае. «А |
Медь |
1,9 |
Неодим |
0,1-0,2 |
Мышьяк |
0,15 |
Празеодим |
0,05-0,1 |
Сурьма |
1,2 |
Церий |
0,3-0,6 |
Уран |
0,002 |
Лантан |
0,01 |
Железо |
3 |
Никель |
2,3 |
Галлий |
0,3 |
Кадмий |
3,5 |
Марганец |
0,3 |
Цинк |
20 |
Скандий |
0,4—0,5 |
Кобальт |
0,01 |
Иттрий |
0,02—0,04 |
Натрий |
1-2 |
Лютеций |
0,002-0,004 |
Калий |
0,05 |
Гольмий |
0,005—0,01 |
Магний |
3 |
Гадолиний |
0,02—0,04 |
Барий |
6 |
Тербий |
0,003—0,006 |
Сера |
15 |
Самарий |
0,005—0,01 |
Фосфор |
3 |
Вот что скрывается под словами «особо чистый алюминий»!
Мы не будем пытаться рассказать обо всех методах анализа — это очень обширная тема. Вместо этого кратко оценим ситуацию в целом.
Вопрос определения состава сплавов на сегодня (за исключением случаев очень низких концентраций) не представляет принципиальных трудностей. Как правило, ни металловеды, ни металлофизики этим сами не занимаются, В научно-исследовательских организациях предусмотрены специальные лаборатории, отвечающие за проведение качественного и количественного химического анализа. В случае необходимости туда направляются заказы на проведение анализа с прилагаемыми к ним образцами.