中國畜牧業地理

[拼音]：huohua fenxi

[外文]：activation analysis

通過鑑別和測量試樣因輻照感生的放射性核素的特徵輻射，進行元素和核素分析的放射分析化學方法。又稱放射化分析或啟用分析。它具有靈敏度和準確度高及精密度好等特點。（見放射性、核素、輻射）

發展概況

1934年英國物理學家J.查德威克和M.戈德哈伯實現了第一次光子活化分析。1936年匈牙利化學家G.C.de赫維西和H.萊維完成了歷史上首次中子活化分析。1938年美國化學家G.T.西博格和J.J.利文古德進行了第一次帶電粒子活化分析。40～50年代，由於核反應堆和碘化鈉(鉈)閃爍探測器的出現，使活化分析可以測定到ppm至ppb級，成為當時靈敏度最高的分析方法，併為蓬勃興起的核科學和半導體材料學作出了重要的貢獻。60年代後， 隨著半導體探測器特別是大體積同軸型鍺(鋰)探測器和計算機技術的引入，使活化分析測定多元素的潛力得到了充分的發揮，一次輻照可同時測定四、五十種元素，從而提高了活化分析與其他分析方法競爭的能力。70年代以來，由於輻照裝置和各種探測技術的不斷完善，活化分析已經廣泛應用於材料科學、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。

基本原理

活化分析的基礎是核反應。活化分析主要是利用核反應所生成的放射性核素的核性質或核反應過程中放出的瞬發輻射來進行元素和核素分析。

在核反應中，生成的放射性核素的淨生長速率(dNt/dt) 與發生核反應的速率 (φσN ) 和生成核的衰變速率(-λNt)有關，用公式表示為：

dNt/dt＝φσN－λNt

式中φ為入射粒子在單位時間和單位面積中的粒子數(即粒子注量率)；σ為發生所需核反應的機率（即核反應截面）；N為靶核數目（即被測核素的數目）；λ為感生放射性核素的衰變常數；Nt為t時刻放射性核素的數目。

在一般情況下，生成的放射性核素數目Nt比N小得多，因此可將N 視為常數，上式積分後可得：

或

At＝φσN[1-exp(-0.693t/T┩)]

式中At為t 時刻所生成的放射性核素的活度；T┩為放射性核素的半衰期。

在活化分析中，一般輻照後並不立即進行放射性測量，而是讓放射性試樣“冷卻”（即衰變）一段時間，於是在輻照結束後t′時刻的放射性活度At′為：

式中靶核數目N＝6.023×1023θω/Μ；θ為靶核的天然丰度；ω 為靶元素的重量；Μ為靶元素的原子量。將N值代入上式可得：

此式即活化分析中最基本的活化方程式。

從原理上講，活化分析是一種絕對分析法。但由於At′的絕對測量比較麻煩，σ和φ值也不易準確測定。所以在實際工作中很少用絕對法，而大多采用相對法（或稱以較法）。所謂相對法，即配製含有已知量(ωn)待測元素的標準，與含有ωs量的待測元素的試樣在相同條件下輻照和測量：

由此可得：

式中，Cst′和Cnt′分別為t′時測量的試樣和標準中待測核素的計數率，於是，試樣中待測元素的重量與試樣重量(ω)之比為：

此式即為相對法活化分析的基本公式。

分析步驟

活化分析大體上可分為五個步驟。

試樣和標準的製備

一般選取幾毫克至幾十毫克試樣，為減少誤差，儘可能選擇與試樣中待測元素的含量和化學狀態相近的標準。

活化

將試樣和標準一起放在反應堆、加速器或同位素源等裝置中，經受相同注量率的粒子輻照，以減少自遮蔽或自吸收效應等因素引起的誤差。

放射化學分離

試樣輻照後，有時需要選用沉澱法、離子交換法、萃取法、蒸餾法、電化學法或同位素交換法等分離方法，以除去幹擾放射性核素。

核輻射測量

用核輻射探測器測定試樣和標準中待測核素的放射性。

資料處理

一般用計算機處理。

方法分類

活化分析可以根據不同的方法進行分類。按照輻照粒子的不同，活化分析可分為以下三類：

（1）中子活化分析，根據中子能量的不同，還可分為：熱中子活化分析、快中子活化分析和高能中子活化分析。

（2）帶電粒子活化分析，根據輻照粒子的不同，還可分為：質子活化分析、氘子活化分析、氫3活化分析、氦3活化分析、α 粒子活化分析和重離子活化分析等。

（3）光子活化分析， 根據光子引起核反應機理的不同，還可分為兩種型別:一種是引起核轉變反應的如 (γ，n)、(γ，p)和(γ，α)等，通過測定生成核的特徵輻射進行分析鑑定；另一種是引起核散射反應的，即生成核為靶核的同質異能素，如(γ，γ′)，通過測定同質異能素的特徵輻射進行分析鑑定。

特點

活化分析靈敏度高，對大多數元素的分析靈敏度在10-6克至10-14克之間，對稀少、珍貴樣品的分析最為有利；準確度高；精密度高，活化分析的精密度一般在±5％。活化分析可測定的元素範圍廣，可測定原子序數1～83之間的所有元素，還包括鐳、錒、釷、鏷、鈾和鈽；在同一份試樣中，可同時測定30～40種元素，最高可達56種之多；可進行非破壞性分析；無試劑空白；可測定同位素組成，這是其他化學分析方法無法做到的。但活化分析法在一般情況下，只能分析元素的含量，而不能測定元素的化學狀態和結構；分析靈敏度因元素而異，且變化很大；活化分析所需裝置較複雜，價格較貴；一般說來，分析週期較長。活化分析法與一些重要的元素分析法的比較見表。

應用範圍

綜述

（1）中子活化分析是上述三類分析方法中應用最廣的一種，除氫、氦、鋰、鈹和硼外，可以測定原子序數從 1～83之間的77種元素。

（2）帶電粒子活化分析對於無法用中子活化分析或光子活化分析測定的鋰、鈹和硼等輕元素具有較高的分析靈敏度；帶電粒子在物質中的射程很短，所以它是表層分析的理想方法。

（3）光子活化分析對於碳、氮和氧等輕元素以及鈦、鐵、鋯、鉈和鉛等中重元素都具有較高的靈敏度；而熱中子活化分析對於上述元素卻不太靈敏。與帶電粒子活化分析相比，光子活化分析的干擾反應甚少。

分述

（1）材料科學方面，活化分析可用於測定：高純鍺和高純矽等半導體材料中含量在10-1ppb的痕量雜質；核工業需要的具有理想核性質的鈾、石墨、鋯和鋰鎂合金中的痕量雜質元素；鐳射通訊用光導纖維中的鈷、鉻、銅等微量雜質；可控熱核反應裝置所需的石英、碳和矽表面上的鈮和釩，探測極限對鈮為7×1010個原子，對釩為6×1011個原子。

（2）生物學和醫學方面，活化分析可用於測定各器官中痕量元素及新陳代謝過程中的大量基礎資料；可用於研究各種疾病與痕量元素的關係；還可用來活化穩定的示蹤劑，以研究體內各部位元素濃度隨時間變化的規律；既可進行離體活化分析，又可進行體內活化分析。

（3）環境科學方面，環境分析化學要測定的汙染元素的含量很低，特別是在大氣、水、土壤、動植物、食品和人體組織中的含量極微，其絕對含量往往在10-6～10-12克水平，活化分析在這一領域可以發揮重要的作用。

（4）地質和地球化學方面，活化分析可以迅速、準確、大量地提供岩石、礦物、海水和海洋沉積物的分析資料，是研究元素組成、尋找演化規律、勘查和開發利用資源的有力工具。

（5）宇宙化學方面，活化分析是隕石、月球岩石和宇宙塵等地球外物質的元素組成和分佈特徵研究中最重要的手段。

發展趨勢

（1）學科領域交叉和分析方法交叉：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，這三門學科約佔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射線熒光法、質子散射法等)及非核分析法（如氣相色譜法、鐳射光譜法等）的交叉配合使用和相互驗證。

（2）新活化機理的研究：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、氮和氧等的深度分佈。

（3）新應用領域的開拓：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。

（4）特效放射化學分離程式的使用：它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佈和化學狀態。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佈特徵；在生物學研究中，可測定元素在生物組織中的化學狀態。

（5）計算機的廣泛應用：在活化分析中，應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。

參考書目

H. J. M.Bowen and D. Gibbons，Radioactivation Analysis，Clarendon Press，Oxford，1963.