Аналитическое применение.

Естественный калий представляет собой смесь трех изотопов (%): ³⁹K – 93,08; ⁴¹К – 6,91; ⁴⁰К – 0,0119. Радиоактивность калия была обнару- жена в 1906 г, позднее она была соотнесена с ⁴⁰К. Это ядро относится к нечетно-нечетному типу, поскольку содержит 19 протонов и 21 нейтрон. Среди массы стабильных изотопов Периодической системы ядра такого ти- па распространены мало. Этот факт обусловлен особенностями взаимодей- ствия нуклонов в составе ядра.

Среди изобарных ядер, т. е. имеющими одинаковое число нуклонов в этом ряду имеет место замена нейтрона на протон), са-мый низкий дефект массы наблюдается у ⁴⁰К. Чтобы оценить уровень раз- личия по этому параметру, следует обратиться к данным по массам ядер триады, которые с высокой точностью установлены масс-спектрометриче- ским методом (⁴⁰Ar – 39,962384; ⁴⁰K – 39,964008; ⁴⁰Ca – 39,962589). Из этих данных несложно подсчитать дефект массы ⁴⁰Ar и ⁴⁰Са относительно ⁴⁰К, который соответственно составляет 0,001624 а.е. (1,51 МэВ) и 0,001499 а.е. (1,40 МэВ). На рис.1 приведена схема распада ⁴⁰К, который посредством бета-распада (электронный захват и испускание электрона) переходит в ⁴⁰Ar и ⁴⁰Са – энергетически более устойчивые ядра. Энергия, уноси- мая излучениями, соответствует рассчитанному дефекту массы. Зах- ват электрона сопровождается гам- ма-из

Рис.1. Схема распада 40К.

лучением с энергией 1,46 МэВ, а максимальная энергия β^--перехо- да составляет 1,33 МэВ. Веро- ятность электронного распада рав- на 89%, а электронного захвата 11%.

⁴⁰К имеет Т _0,5 = 1,27х10⁹ лет, это означает, что его доля в момент образования Солнечной системы (4,5 млрд. лет назад) составляла 0,14%. Радиоактивность ⁴⁰К оказалась удобным индикатором для определения возраста древнейших горных пород Земли, Луны, каменных метеоритов. Многие горные породы в ходе эволюции прошли стадию плавления с последующим охлаждением, на этом этапе произошлала кристаллизация вещества с образованием минералов. Калий входит в калиевый полевой шпат K[AlSi₃O₈]. В момент образования этот минерал свободен от Са и Ar.

В настоящее время для определения возраста горной породы надо вы- делить калиевый минерал и определить в нем содержание ⁴⁰К (в расчете на момент кристаллизации) и продуктов его распада (⁴⁰Са или ⁴⁰Ar). Эти данные на основании закона радиоактивного распада позволяют рассчитать интервал времени, который прошел с момента формирования монокрис- талла, как закрытой системы.

В силу постоянства изотопного состава можно определять общее содер- жание калия в некоторых пробах по активности ⁴⁰К. Так как ⁴⁰К имеет низ- кую распространенность, а период полураспада его велик, удельная интен- сивность излучения калия мала (удельная активность элементарного калия равна 30,1 Бк/г). Чтобы в этих условиях обеспечить высокую статистичес- кую точность результатов (на уровне 1–2 % отн.) за приемлимое время из- мерения, приходится отбирать большие навески и обеспечивать высокую эффективность регистрации излучений. Из-за высокого выхода, как прави- ло, предпочтение отдают β^--излучению.

Максимальный пробег потока β^-- частиц К-40 в веществе равен 0,55 г/см², однако на практике эффективный слой полного поглощения составляет всего около 0,4 г/см². Поэтому рабочий слой порошкообразной пробы же- лательно ограничить этим уровнем. При соблюдении этого условия поток бета-излучения пробы не зависит от плотности засыпки, а увеличить ана- литическую массу можно за счет площади поверхности пробы. Это соот- ветственно требует применения детекторов излучения с большой рабочей поверхностью.

На практике для регистрации бета-излучения ⁴⁰К нашли применение два типа газоразрядных детекторов: цилиндрический с высотой около 10 см и плоский с площадью около 100 см² . В первом случае прошкообразная проба насыпается в специальную кювету (рис.2), а во втором – ровным слоем в чашечку (рис. 3). Преимущество плоских детекторов состоит в том, что их рабочий объем отделен от поверхности пробы только тонкой поли-

мерной пленкой толщиной 5–10 мг/ см², в то время как у цилиндрического счетчика и кюветы общая толщина поглотителя достигает 150 – 200 мг/ см² , что значительно ослабляет поток бета-излучения пробы, достигающего рабоче- го объема детектора. Газовые газоразрядные детекторы мало чувствитель- ны к сопутствующему гамма-излучению ⁴⁰К, поэтому его наличие не дает существенного смещения результатов при небольших колебаниях общей массы пробы. Более важным условием является полное отсутствие в пробе посторонних радионуклидов.

В случае калия природа осуществила классический вариант изотопно- го разбавления, поэтому для количественных определений нужно просто установить удельную скорость счета калия на данной измерительной уста- новке, отнесенную к 1% содержания калия в пробе. Удобнее всего это сде- лать по стехиометрическому соединению (обычно KCl). Соль калия дол- жна быть свободна от посторонних радионуклидов и хорошо высушена. Содержание калия (в %) получается путем простого деления скорости счета пробы на удельную скорость счета калия. Из результатов измерений надо вычесть фон радиометра, который регистрируется с чистой солью NaCl (без примеси калия). Длительность измерения на каждой стадии ана- лиза должна обеспечивать относительную статистическую погрешность ко- нечного результата на уровне 2%.