活化分析

活化分析（activation analysis）是指用一定能量和流強的中子（包括 熱中子、超熱中子、快中子、冷中子）、帶電粒子（質子、氘子、 ³He、 ⁴He、重離子等）或者高能γ光子轟擊試樣，使待測原子受激活化，然後測定由核反應生成的放射性核素衰變時放出的緩發輻射，或者直接測定核反應時放出的瞬發輻射，從而實現核素及元素定性和定量分析的方法。

基本介紹

• 中文名：活化分析
• 外文名：activation analysis
• 別稱：放射化分析
• 原理：由中子等將樣品活化後進行分析
• 提出者：J.查德威克
• 目的：測定同位素組成

原理

用一定能量和流強的中子、帶電粒子或γ射線同樣品中所含核素髮生核反應，使之成為放射性核素（這個過程稱為活化），測量此放射性核素的衰變特性（如半衰期、射線的能量和射線的強度等）來確定待分析樣品中所含核素的種類及其含量。如用熱中子活化分析砷，所用的核反應為：

活化分析

n+⁷⁵As→⁷⁶As*+γ

或記為⁷⁵As(n,γ)⁷⁶As。由於⁷⁶As既放出β射線，又發射γ射線，半衰期為26.32小時，因此利用核輻射測量儀器探測⁷⁶As的放射性，便可鑑別有沒有砷，以及有多少砷。

沿革

1934年J.查德威克和M.戈德哈伯實現了第一次光子活化分析。1936年G.赫維西和H.萊維，進行了世界上首次中子活化分析。他們用200—300毫克的Ra–Be中子源（中子產額為3×10⁶中子/秒），藉助¹⁶⁴Dy(n, γ)¹⁶⁵Dy核反應（活化反應截面為3,900±300靶，生成核¹⁶⁵Dy的半衰期為139.2分），測定了氧化釔（Y₂O₃）中的鏑（Dy），定量分析的結果為10^－3克/克。1938年G.西博格和J.利文格德用加速器產生的氘束測定了純鐵中的鎵，進行了第一次的帶電粒子活化分析。1942年建成了可提供比同位素中子源高得多的中子通量的反應堆，1948年又研製成了NaI（Tl）閃爍探測器，這兩大發明將中子活化分析推到了一個新的階段。1951年，雷第考脫等人首次實現了反應堆的熱中子活化分析，從而使活化分析成為當時靈敏度最高的分析方法。20世紀60年代後，由於能量解析度比NaI（Tl）好幾十倍的半導體探測器的出現，以及計算機的套用，活化分析取得了迅猛的發展。70年代以來，由於輻照設備和各種探測技術的不斷完善，活化分析已經廣泛套用於材料科學、海洋學、環境科學、生物學、醫學、地球化學、宇宙化學、考古學和其他領域。中國自1958年第一座實驗性重水反應堆建成後，立即開展了活化分析的研究及套用。

活化分析

特點

活化分析依賴於核反應、核性質和核譜學，因此不同於其他依賴於核外電子躍遷的分析方法（如原子吸收法、電漿發射譜法、電化學法等）。主要優點是：①靈敏度高。活化分析對元素周期表中大多數元素的分析靈敏度在10^－6—10^－13克/克之間。因此，利用活化分析測試樣品時，取樣量可少至毫克量級甚至微克量級，這對於某些稀少珍貴樣品的分析具有重要套用價值。②準確度高和精密度好。準確度表征測定值與真值的偏離程度，精密度表征測定值之間的離散程度。實踐證明，活化分析在多數情況下是準確度最好的分析方法之一，因此在分析比對活動中，常被用作仲裁分析方法。③非破壞性分析。由於高解析度半導體探測器的套用，使活化分析在許多情況下可實現非破壞性分析，這不僅避免了其他分析方法需要溶解樣品而帶來的困難，而且活化分析用過的樣品，等其放射性衰變到一定程度後，還可供其他研究使用。④多元素分析。活化分析可在一份試樣中，同時測定30—40種元素，甚至高達50種以上。⑤無試劑空白。在其他痕量分析方法中，往往需要將樣品作各種形式的化學處理，由於所用試劑中混有微量雜質，這是形成分析誤差的重要原因。活化分析一般在反應堆照射前不作任何化學處理，因此無試劑沾污之虞。⑥無須定量分離。即使照射後採用放射化學分離的活化分析，一般採用載入體、測化學回收率的方法進行，因此可避免痕量分析中困難的定量分離操作。⑦可測定同位素組成。這是活化分析的本徵性質，不僅可實現元素定量分析，而且可給出同位素比值。
活化分析亦具有一些缺點：①分析靈敏度因元素而異，且變化很大。以活化分析中最常用的熱中子活化分析為例，其對金、銥、錳等元素的靈敏度很高，但對鉛的靈敏度很差。②由於核衰變及核輻射測量的固有的統計性，致使活化分析存在著獨特的統計誤差。③用於活化分析的設備比較複雜，且價格較貴。此外，還須有相應的輻射防護設施。

活化分析

活化分析

活化分析

分類

活化分析可根據不同的方法進行分類：①按照射粒子分類。可分為熱中子活化分析、超熱中子活化分析、快中子活化分析、質子活化分析、重離子活化分析、光子活化分析等。②按工作方法分類。可分為儀器活化分析（又稱非破壞性活化分析）和放射化學活化分析（又稱破壞活化分析）。前者在分析過程中對樣品不作任何處理，而後者需進行化學操作。③按活化分析性分類。可分為絕對法和相對法。前者無須使用標準，因為活化分析法從其本質講，是一種絕對分析方法，只要已知照射粒子通量、核反應激發曲線以及生成核的絕對放射性活度，就可計算出待測元素的含量。相對法是指採用化學標準、標準參考物質或內標等方法，計算待測元素的含量。

套用

由於高分辨半導體γ射線探測器的使用，電子計算機在核分析技術上的套用，以及在此基礎上建立的各種高效的γ能譜分析及數據處理系統，可以快速、自動地對複雜的γ譜形進行解析、計算和同位素識別，促進了活化分析技術的迅速發展，並可以使分析過程完全自動化。

活化分析技術已成為現代先進痕量分析技術之一，不僅在高純材料研究中，而且廣泛用於環境科學、生物醫學、材料科學、地學、考古學、法學等領域。典型例子有用中子活化分析測定拿破崙頭髮中砷的含量及其變化，從而推斷他的死因；用中子活化法研究白堊系和第三系界線（距今約6,500萬年）黏土層中銥豐度的異常，從而提出恐龍絕滅的地外物質撞擊模型；用中子活化法研究大氣細顆粒物中的元素豐度分布特徵，從而證明大氣細顆粒物質可遷移數百甚至數千千米，造成大尺度的環境污染；用中子活化法測定土壤中汞的含量變化，有可能確定古代墓址；用瞬發γ射線中子活化法可測定材料表面氫的剖面分布等。

發展趨勢

學科領域交叉

活化分析發展的特點之一是學科領域交叉，這主要是指生命科學、地學和環境科學，這三門學科約占活化分析工作總數的80%以上。分析方法交叉是指活化分析法和其他核分析法（如質子激發X射線螢光法、質子散射法等）及非核分析法（如氣相色譜法、雷射光譜法等）的交叉配合使用和相互驗證。

新活化機理

為了滿足固體材料改性、半導體材料和合金材料中痕量輕元素分析的要求，一些國家正在積極開展冷中子源誘發的帶電粒子反應，以測定固體介質中的氦、鋰、硼、氮和氧等的深度分布。

新領域的開拓

在γ射線天文學研究中，有時需將探測器發射到行星表面進行現場測定。這一工作要求探測器儘可能輕便、可靠。小型加速器和γ能譜儀聯用就有可能完成這一任務。已有人進行模擬實驗，利用中能氘子活化分析測定地球外物質的化學組成。

特效放射化學

使活化分析不僅能測定樣品中元素的含量，而且還能深入研究元素的分布和化學狀態。例如礦物學研究中，利用不同的前處理法，可測定元素在地質樣品中的分布特徵；在生物學研究中，可測定元素在生物組織中的化學狀態。

計算機的套用

在活化分析中，套用電子計算機控制操作程式，可實現分析儀器自動化和樣品的連續測定。例如配有電子計算機的鍺（鋰）γ能譜儀可同時測定幾百個樣品中的幾十種元素。