hóa phóng xạ và phép đo sự phóng xạ

Hai phương pháp này bổ sung cho nhau; hóa phân tích làm phép đo phóng xạ dễ dàng hơn trong một vài trường hợp việc khử cần cho phổ phóng xạ ngược lại phổ phóng xạ làm cho độ tinh khiết h

ĐỀ TÀI

HÓA PHÓNG XẠ VÀ PHÉP ĐO SỰ

PHÓNG XẠ

- -

MỤC LỤC

6.1 Khảo sát đại cương 4

6.1.1 Xử lý trước khi chiếu xạ 6

6.1.2 Hạt tải 9

6.1.3 Sự phân ly hoá học 12

6.2 Các phương pháp tách 18

6.2.1 Sự kết tủa 18

6.2.2 Sắc ký trao đổi ion 25

6.2.3 Chiết xuất dung môi 34

6.2.4 Chưng cất và điện phân 41

6.3 Phân tích hạt nhân phóng xạ 53

6.3.1 Phân tích định tính 54

6.3.2 Hiệu chuẩn định lượng 56

6.3.3 Phổ tia Gamma 60

6.3.4 Electron biến hoán chất bán dẫn (semiconductor conversion-electron) và phổ tia Gamma 76

6.3.5 Đặc điểm phổ tia X 80

6.4 Tài liệu tham khảo 83

6.4.1 Tham khảo chung 83

6.4.2 Sự phân ly hóa học phóng xạ 84

6.4.3 Thử nghiệm bức xạ kế 86

PHẦN MỘT



Nhóm 6 : Võ Thị Dưỡng

Tôn Nữ Thuỳ My Nguyễn Minh Hằng Phan Thị Thuỳ Giang Nguyễn Thanh Tùng

HÓA PHÓNG XẠ VÀ PHÉP ĐO SỰ PHÓNG XẠ

Hóa phóng xạ trong phép phân tích sự kích hoạt phóng xạ là một chủ đề gây tranh luận đáng kể Hóa phóng xạ được định nghĩa là sự áp dụng hóa học để nghiên cứu sự phóng xạ Với một nhà hóa học hạt nhân thì có thể xem phép phân tích kích hoạt như là sự ứng dụng của hóa phóng xạ Còn đối với những người khác, không phải nhà hóa học, tiến hành phép phân tích bằng sự phóng xạ và phép đo bức xạ có thể coi phép phân tích kích hoạt là một dạng của phép phân tích dụng cụ Trong phương pháp sau, việc xác định một nguyên tố phóng xạ là dùng đường đặc trưng phóng xạ của đồng vị phóng xạ với nó

Một số thuận lợi của phép phân tích kích hoạt là sử dụng được ngay và thực hiện một cách khá chính xác với bất kì sự xử lí hóa học nào của vật mẫu trước khi

chiếu xạ Trong một vài trường hợp sự cách ly của nguyên tố phóng xạ là cần thiết Trong hóa phóng xạ, phép phân tích kích hoạt thường bao hàm luôn việc cách ly của nguyên tố phóng xạ bằng sự phân ly hóa học Tuy nhiên, trong một vài trường hợp, với sự cách ly hóa học, phép trắc phổ phóng xạ là cần thiết để đo từng đồng vị phóng xạ Vậy vấn đề của hóa phóng xạ trong phép phân tích kích hoạt là có nên sử dụng hóa phóng xạ hay hạn chế, cái gì là tốt nhất cho sự khớp của việc xử lí mẫu, cả hóa học và dụng cụ, chúng sẽ đưa đến sự xác định thích hợp ở mức độ chính xác với độ chính xác cao Hai phương pháp này bổ sung cho nhau; hóa phân tích làm phép đo phóng xạ dễ dàng hơn (trong một vài trường hợp việc khử cần cho phổ phóng xạ) ngược lại phổ phóng xạ làm cho độ tinh khiết hóa học bớt khó khăn (trong một số trường hợp việc khử cần cho một vài hoặc bất kì xử lý hóa học).

Đó là điều hiển nhiên, ví dụ với phép đo thông lượng neutron nhiệt bằng việc kích hoạt một lá vàng nguyên chất thì không cần tới việc xử lí để đo hoạt độ của một sản phẩm duy nhất 198Au Trong phương pháp khác, phép phân tích kích hoạt cho các nguyên tố trong phạm vi của độ nhạy có mặt trong ma trận mà dễ được kích hoạt và sự phóng xạ quan tâm bị che mờ đi trong sự nhạy của phổ kế phóng xạ cần đến khả năng phân ly hóa học với độ tinh chế cao và có thể đo trong bộ đếm phóng

xạ phông thấp Giữa các cực trị thì các phép phân tích kích hoạt có thể được thực hiện bằng sự phân ly hóa học đơn giản và các phép đo phóng xạ thông thường Sự phân ly hóa học đơn giản có thể là việc loại bỏ một trạng thái của nguyên tố quan tâm hoặc có thể là việc loại bỏ một số lớn các nhân phóng xạ không quan tâm Thông thường với bất kì vấn đề nào, sự khảo sát cơ bản trong việc ước lượng sự quan trọng giữa hóa phân tích và phân tích dụng cụ thì mức độ của độ nhạy cần thiết và độ chính xác mong muốn (hoặc độ phân giải của tính không đơn trị) của sự nhận biết nhân phóng xạ và việc lấy mẫu

6.1 Khảo sát đại cương

Phép phân tích hóa phóng xạ có thể tính toán tới việc xác định định tính cũng như định lượng của hạt nhân phóng xạ bằng phép phân tích hóa học và phép đo phóng xạ Nó khác với phép phân tích hóa cổ điển là khối lượng của hạt nhân phóng

xạ tìm thấy thông thường không cân được và nó không chỉ chứa một lượng lớn vật liệu ban đầu mà còn có một vài hạt nhân khác.

Việc xác định hạt nhân phóng xạ trong nguồn có chứa các hạt nhân phóng xạ khác thì thường thực hiện được bằng việc chọn một phương pháp có hiệu quả của phép đo phóng xạ Các phép đo này thường thực hiện được với độ chính xác cao Tuy nhiên, trừ trường hợp chiếu bức xạ neutron nhiệt vào một đồng vị của nguyên

tố ổn định, sự kích hoạt phóng xạ trong vật mẫu đó chứa hỗn hợp hạt nhân phóng

xạ Việc xác định hạt nhân phóng xạ cần nhận biết tính chất một cách chính xác và lựa chọn phép đo định lượng đặc biệt Phổ năng lượng là một trong những phương pháp đó

Nếu trong vật liệu ban đầu có chứa hạt nhân phóng xạ ít hoạt động với một số nguyên tố hoạt động thì việc xác định thường thực hiện hai bước sau:

1 Sự phân ly nguyên tố hóa học của hạt nhân phóng xạ

2 Việc xác định đồng vị phóng xạ của nguyên tố bằng cách chọn phép đo phóng xạ

Đầu tiên là việc làm sạch một cách cẩn thận đến độ tinh khiết cao của nguyên

tố hoặc đơn giản hơn là phân ly nhanh nhóm nguyên tố có tính chất hóa học tương

tự Sau đó có thể đo hoạt độ phóng xạ trong một máy đếm đơn giản, việc đo hoạt độ phóng xạ mức thấp bằng máy đếm phông thấp hoặc phân tích phổ năng lượng của tia gamma Tổng hợp một cách khách quan thì việc đo phóng xạ từ nhân phóng xạ với sự có mặt của bức xạ từ hạt nhân phóng xạ và số đếm phông

Hóa phóng xạ áp dụng phép phân tích hoạt độ phóng xạ, dùng tất cả các phương pháp riêng của hóa phân tích Tuy nhiên, với những hạt nhân phóng xạ có khối lượng nhỏ trong vật mẫu có số đếm thay đổi Đó không chỉ là việc điều khiển ngăn sự phân tích trọng lượng mà còn là giữ nguyên vẹn vật mẫu gây nguy hiểm bởi có thể mất nhân phóng xạ vào thành của hộp chứa hoặc vào vật liệu khác Sau

đó tách riêng các tia phóng xạ trong sản phẩm phóng xạ không phải là đồng vị của nguyên tố bia Đó là lí do mà hóa phóng xạ trong phép phân tích phóng xạ thường

sử dụng phương pháp chất tải, đây là sự lựa chọn một lượng nguyên tố đồng vị có

thể cân được để thêm vào với hạt nhân phóng xạ sau khi chiếu xạ Phương pháp hạt tải của hóa phóng xạ thường cần các bước sau:

1 Lấy mẫu

2 Xử lý trước khi chiếu xạ (nếu cần thiết)

3 Chuẩn bị cho việc chiếu xạ

4 Sự phân hủy của vật mẫu bị chiếu xạ

5 Việc thêm hạt tải

Kỹ thuật lấy mẫu đã được phát triển đáng kể ở khía cạnh nào đó Quá trình lấy mẫu chuẩn đã được phát triển cho hầu hết các vật liệu Việc thu mẫu cho phép phân tích thì thay đổi với các vật liệu khác nhau và với từng trạng thái khác nhau của một

số vật liệu nhưng thường gồm ba điều kiện sau:

1 Lấy một vật mẫu thực nghiệm từ nguồn vật liệu

2 Lấy các vật mẫu thật cho các phép phân tích từ vật mẫu thực nghiệm

3 Kiểm tra các mẫu thật trước khi đem cân

Việc đồng nhất của nguồn vật liệu là nhân tố cơ bản trong điều kiện đủ của vật mẫu thực nghiệm Nếu nguồn vật liệu không hoàn toàn đồng nhất, phạm vi chú ý có thể bị giới hạn trong mẫu thực nghiệm Ngay cả sự chú ý lớn nhất có được sau khi ước lượng mẫu thực nghiệm trong mẫu thử cho phép phân tích Sự nghiền, sự phân

hủy và các tính chất khác để tăng dần sự đồng nhất có thể cho kết quả trong sự làm bẩn của vật mẫu bởi các nguyên tố tìm thấy.

Khối lượng của các mẫu thử thì cần đến một sự cân nhắc cho việc xử lí mẫu Một số vật mẫu có thể được cân như vậy Số khác thì có thể chứa lượng nước thay đổi được sấy ở 105-1100C trước khi đem cân hoặc việc xác định hơi nước có thể được thực hiên để biến đổi việc đo sự cô cạn từ cách thức trên để sấy khô Nếu tính chất hóa học kết hợp nước được loại bỏ trong việc sấy khô, vật mẫu có thể cần đến

sự bốc cháy ở nhiệt độ cao để thu được mẫu với thành phần cấu tạo xác định Sự hấp thụ CO2 và các khí khác bằng mẫu tinh mặt đất cũng cần được quan tâm

Số lượng vật mẫu tái tạo thì phụ thuộc nhiều vào mức độ của sự cô cạn và độ chính xác mong muốn Trong một số bản sao các thành phần thử thì được làm từ hai mẫu; trong các phần tử thử đơn lẻ khác thì được làm từ ba mẫu Thông thường, độ sai sót trong việc lấy mẫu phải thích hợp với độ sai sót trong tất cả các phép phân tích trên

Xử lý hóa học trước khi chiếu xạ

Đây gần như là tiên đề trong phép phân tích kích hoạt mà việc xử lí hóa học cho một mẫu nhỏ trước khi chiếu xạ là tuyệt đối bắt buộc Vấn đề phải giải quyết ở đây là khả năng nhiễm bẩn bởi việc thêm lượng dư thuốc thử để đánh dấu sự cô cạn của nguyên tố quan tâm trong các mẫu thì dễ dàng nhận thấy Đây cũng chính là lí

do mà việc xử lí hóa học trước khi chiếu xạ là rất cần thiết

1 Các mẫu quá lớn để chiếu xạ trong khi sự cô cạn cho lượng nhỏ mẫu chứa quá ít các nguyên tố quan tâm Việc biến đổi với số lượng lớn hoặc biến đổi về thể tích là rất cần thiết Vật mẫu có thể bị tan hoặc phân rã và được cô đặc bằng

sự bay hơi hay bởi các điều kiện hóa học

2 Các mẫu mà không đồng nhất để đạt được mẫu tiêu biểu cho việc chiếu xạ thì việc xử lí để thu được mẫu đồng nhất có thể làm được nhờ máy móc hoặc hóa chất

3 Các mẫu mà có chứa nhiều thành phần của sự hoạt hóa mà các nguồn phóng

xạ chứa mức độ nguy hiểm cho sự phóng xạ, hóa phân tích cho số lượng lớn thì rất cần thiết trước khi kích hoạt

Đó chính là các tiên đề mà trong các trường hợp kiểm tra số lượng lớn và quá trình điều chỉnh chất lượng là cần thiết để đảm bảo rằng các mẫu không bị bẩn bởi các vật liệu riêng và các quá trình hoạt động thì cần để xử lí

Chuẩn bị cho việc chiếu xạ

Xử lí hay không xử lí các mẫu được chuẩn bị để chiếu xạ bằng việc lựa chọn một phương pháp tóm gọn Phương pháp này có tính đến kích thước và hình dạng của mẫu, các yếu tố hình học với sự chú ý đến tia hoặc thông lượng chiếu xạ và sự

có mặt của các tiêu chuẩn thích hợp, máy đo thông lượng và khoảng trống Mẫu thì thường ngưng tụ thành thể tích nhỏ nhất phù hợp với việc xử lí tối thiểu

Sự phân hủy

Dung dịch các mẫu sau khi chiếu xạ thì bị phân hủy trong hầu hết các phương pháp tiện lợi mà bảo đảm không làm mất các nguyên tố quan tâm, ví dụ: Iot (I) và các nguyên tố khác dễ bay hơi có thể cần đến sự phân hủy của vật mẫu trong chu trình khép kín Dung dịch mẫu hữu cơ có thể bị hòa tan trong nước

Các dung dịch hữu cơ hoặc rắn có thể cần đến sự hóa tro để giải phóng các nguyên tố đánh dấu vô cơ Việc hóa tro này có thể thực hiện khô hoặc ướt Hóa tro khô thì đơn giản nhưng nó có thể đưa đến việc mất các nguyên tố đánh dấu bởi sự bay hơi hoặc có thể chuyển thành các thành phần chịu nhiệt Hóa tro ướt, thường dùng với HNO3, thì dài dòng hơn nhưng nó khắc phục được các vấn đề của hóa tro khô

Các vật liệu vô cơ có thể bị phân hủy trong dung dịch axit thích hợp; trong một số trường hợp các nguyên tố quan tâm có thể có số lượng lớn được lọc ra từ lúc đầu để cung cấp cho sự phân ly ban đầu từ số lượng lớn vật liệu Các vật liệu chịu nhiệt có thể bị phân hủy bằng hóa nhiệt Axit riêng, bazo và thông lượng oxi hóa là khả dụng cho từng vật liệu

6.1.2 Hạt tải

Phương pháp hạt tải của hóa phóng xạ thì tương tự như phương pháp đánh dấu chất phóng xạ, trừ nhiệm vụ của chất đánh dấu là ngược Trong phương pháp đánh dấu một lượng rất nhỏ của một đồng vị phóng xạ được thêm vào hệ và được theo dõi Trong phương pháp hạt tải, một lượng vật liệu trơ cần được thêm vào hệ mà một vài phần hạt nhân bị phân chia Trong trường hợp giả thiết rằng vật liệu chứa hạt tải và hạt nhân phóng xạ kết hợp đồng nhất trong suốt bất kì các quá trình sau Giả thiết này là hoàn toàn vững chắc cho hóa phân tích khi hạt tải và hạt nhân phóng xạ là đồng vị với nhau Nó cũng đủ vững chắc cho chất đánh đấu đồng vị và hạt tải khi không phải là đồng vị của nhau nhưng tính chất hóa học của chúng là tương tự trong phương pháp để sử dụng Ví dụ, khi chiếu tia bức xạ proton vào hỗn hợp của Rubidium (Rb) và Cesium (Ce) có thể sinh ra các hạt nhân phóng xạ của nguyên tố kiềm thổ 185Sr và 133Ba Canxi, một nguyên tố khác thuộc dãy kiềm thổ,

có thể được dùng để loại bỏ 185Sr và 133Ba Tuy nhiên, phản ứng riêng có thể tách ba nguyên tố này ra khỏi nhau Để đảm bảo hiệu quả của việc tách 185Sr từ 133Ba người

ta thêm các hạt tải là strontium (Sr) và barium (Ba)

Hóa học không có hạt tải

Một nguồn hạt nhân phóng xạ mà chức một lượng rất nhỏ ( thường <1 gµ ) đồng vị bền của một vài nguyên tố được gọi là không có hạt tải Một dung dịch của nguồn thỉnh thoảng xuất hiện những tính chất khác thường; ví dụ một dung dịch không có hạt tải của 64-d85Sr có hoạt độ phóng xạ là 1 Ciµ thì nồng độ của Sr2+ được tính như sau:

6

10

64 24 602.22 10

chiếu xạ yếu) và quá trình đó thì không phụ thuộc vào khối lượng cũng như trao đổi ion hoặc dung môi chiết xuất thì thường sử dụng cho hóa học không có hạt tải.

2 Hạt tải phải có đầy đủ tính chất như hạt nhân phóng xạ

Tính chất đầu tiên thì quá rõ ràng Với hạt tải đồng vị chỉ có ‘hiệu ứng đồng vị’ (sự phân li của các đồng vị khác trong khối lượng nguyên tử) có thể cô đặc Việc làm giàu 0.7% 235U trong tự nhiên lên tới 90% là một ví dụ cho việc ứng dụng hiệu ứng đồng vị Tuy nhiên, trong tất cả các phòng thí nghiệm thực nghiệm hiệu ứng đồng vị không mấy quan trọng

Tính chất thứ hai có tầm quan trọng đáng kể, đặc biệt nếu hạt nhân phóng xạ không phải là dung dịch ion khi thêm hạt tải vào hoặc nếu nguyên tố có thể thoát ra trong một vài trạng thái oxi hóa; ví dụ sự kết tủa của hạt tải I khi được thêm I- có thể loại bỏ tất cả các tia phóng xạ I trước nếu trong dung dịch có mặt IO3 Trong trường hợp mà hạt nhân có thể thoát ra trong vài trạng thái oxi hóa nguyên tố (hạt tải và đồng vị) thường là chất oxi hóa và giảm trong suốt sự oxi hóa của nó bằng chất phản ứng phù hợp trước bất kì bước tách nào

Sự cản trở hạt tải

Hạt tải thì rất hữu dụng cho các nhân phóng xạ không liên quan mà có tính chất hóa học tương tự với nhân phóng xạ đang xét Vì thế hạt tải được gọi là sự cản trở hạt tải, trước khi chúng ngăn cản lượng nhỏ hạt nhân phóng xạ không liên quan

từ sự hấp thụ hoặc được tải bằng nguyên tố Sự cản trở hạt tải thì thường sử dụng cho nhân phóng xạ mà được hi vọng là sẽ sinh ra số lượng lớn các hạt nhân phóng

xạ mong muốn hoặc chia ra thành các nguyên tố đồng đẳng trong phương pháp mà hiệu suất của sự phân ly không quá lớn

Hiệu suất hoá học

Phương pháp hạt tải của hóa phóng xạ bao hàm việc xác định hiệu suất hóa học Nếu biết được lượng hạt tải thêm vào ( thường đơn vị là mg), sự phân ly của hạt nhân phóng xạ không cần định lượng Cần chú ý đến việc phân ly nhanh của các hạt nhân phóng xạ có thời gian sống ngắn hoặc của sự phân ly cực trị tinh khiết cho

độ nhạy cực đại, phần bị mất của hạt nhân phóng xạ có thể chấp nhận được Khi độ phóng xạ riêng của hạt nhân phóng xạ là không đổi sau khi hòa trọn với hạt tải, tỉ số hồi phục của hạt tải (hiệu suất hóa học) thì cũng như tỉ số hồi phục của hạt nhân phóng xạ

Rõ ràng là lượng nguyên tố hạt tải có mặt trong một mẫu ban đầu thì nhỏ kết hợp với lượng thêm vào Đây thường là trường hợp mà phép phân tích sự kích hoạt

sử dụng để đo chất đánh dấu bằng microgam hoặc lượng rất nhỏ

Hiệu suất hóa học của sự phân ly thì được định nghĩa bằng việc đo lượng hạt tải còn lại Việc xác định này có thể được thực hiện bằng vài phương pháp sau:

1 Trọng lượng: mặc dù phương pháp này có rất sớm nhưng lại không phổ biến

là vì hóa học có thể phân ly hạt tải Trong vài trường hợp, hợp chất đem cân có thể không đồng nhất, đó là do không xác định được hoặc không biết sự tổng hợp, đặc biệt quan tâm tới nước kết tinh

2 Thể tích hoặc trắc quang và các dụng cụ khác: những phương pháp này thì

thường đặc trưng hơn cho từng nguyên tố Chúng cần cho sự lấy mẫu, chuẩn và khoảng trống

3 Bức xạ kế: dùng một lượng biết trước của một đồng vị phóng xạ khác như

một chất đánh dấu cho hạt tải Phương pháp này thì tiện lợi nhưng thường không thích hợp Bên cạnh những tính chất thông thường của một chất đánh dấu phù hợp,

cụ thể là diễn biến hóa học tương tự, thời gian bán rã tương thích và dễ dàng đo sự phóng xạ, chất đánh dấu không ảnh hưởng đến việc đo hoạt độ phóng xạ của nhân phóng xạ đang xét Một ví dụ cho kỹ thuật này là phép phân tích hoạt độ của vanadium V Hạt tải của 52V (T1/2 = 3.7 phút) được sinh ra từ phản ứng 51V( )n,γ thì

V được đánh dấu bằng 49V( T1/2 = 330 ngày), mà phân rã hoàn toàn bằng việc bắt

electron và trước đó không có sự đóng góp từ việc đo đỉnh phổ của 52V Sau đó 52V

đã bị phân rã hoàn toàn, chất đánh dấu 49V thì được đo bằng ống đếm nhấp nháy

4 Phép phân tích kích hoạt: phương pháp này sử dụng cho sản phẩm phóng xạ

có thời gian sống ngắn Sau khi đo phân rã hạt nhân phóng xạ, việc đếm vật mẫu mà chứa hạt tải được phục hồi thì được chiếu bằng cách tương tự như vật mẫu ban đầu Trước khi lượng hạt tải lớn hơn lượng nguyên tố đánh dấu ban đầu, thì giờ đây hoạt

độ phóng xạ sinh ra từ phép đo của lượng hạt tải có mặt trong mẫu đếm Kỹ thuật này đã được sử dụng để xác định hiệu suất hóa học của vanadium (V)

6.1.3 Sự phân ly hoá học

Sự phân ly hóa học là một phần của phương pháp hóa phóng xạ mà kết quả là

sự cách ly sản phẩm phóng xạ từ những nhân phóng xạ không phải là đồng vị được sinh ra trong việc chiếu xạ ban đầu Trong phương pháp hạt tải, quá trình này được thực hiện bằng việc cách ly nguyên tố hạt tải thích hợp cho phép đo phóng xạ và việc xác định hiệu suất hóa học

Tài liệu của phép phân tích hóa học chứa rất nhiều phương pháp hóa học mà

sẽ tương ứng với việc tách bất kì nguyên tố nào Mục 6.4 liệt kê một số hướng dẫn giới thiệu các phương pháp hóa phóng xạ rất đa dạng cho tất cả các nguyên tố Thoạt nhìn cơ sở cho một sự lựa chọn của một phương pháp cụ thể bởi một nhà phân tích thiếu kinh nghiệm thực sự rất nhiều rắc rối Tuy nhiên việc lựa chọn các bước cụ thể trong phương pháp hóa phóng xạ nói chung thông thường là tập hợp các mục tiêu khi tách Những mục tiêu này nói chung bao gồm :

1 Sự giảm khối lượng của vật mẫu đến mức tối ưu hoặc phù hợp với các điều kiện của phép đo phóng xạ Những điều kiện đó và hiệu suất cho trước sẽ xác định được lượng hạt tải cần thêm vào Ví dụ: vật mẫu cuối cùng có thể là một chất kết tủa mỏng trên một giấy lọc để đếm beta, một thể tích dung dịch nhỏ để đếm tia gamma trong một ống đếm nhấp nháy, hoặc một vật mẫu được phủ lên một lớp kim loại để đo phổ anpha

2 Sự cách ly nguyên tố hạt tải với độ tinh khiết hóa học và xác định hợp phần

để xác định hiệu suất hóa học Vài loại khác của phương pháp cách ly có thể được

sử dụng để phân ly vài nhóm tạp chất Các nguyên tố được phân ly từ tất cả các phương pháp đó có thể vẫn cần tới một bước khác để chuyển đổi nó thành một dạng hóa học cho việc đo hiệu suất định lượng.

3 Sự phân ly hóa học của các sản phẩm nhân phóng xạ từ các nhân phóng xạ không đồng vị khác, đặc biệt chúng có mặt trong hạt tải tự do hoặc nồng độ hoạt độ riêng cao Phép đo hoạt độ phóng xạ cần phải đủ cao hơn hoạt độ phông để phù hợp với độ cính xác mong muốn của phép phân tích Phổ phóng xạ có thể vẫn cần để đo hạt nhân phóng xạ với sự có mặt của các hạt nhân phóng xạ đồng vị của nó

Độ hụt khối lượng

Sự hòa tan vật mẫu trước khi chiếu xạ và sự cân bằng của nhân phóng xạ quan tâm với các hạt tải trong phương pháp phân ly ban đầu thường phân phối với sự phân ly tổng cộng của các hạt tải từ dung dịch ban đầu Một vài nhân tố ảnh hưởng tới việc chon các phương pháp đó bao gồm thời gian bán rã và hoạt độ tổng cộng của các nhân phóng xạ riêng lẻ Để có được các nhân phóng xạ có thời gian sống ngắn thì phương pháp nhanh là rất cần thiết Để được các nhân phóng xạ riêng lẻ với hoạt độ thấp thì sự phân ly diễn ra liên tiếp cho từng hạt tải là rất cần thiết

Trong tất cả các trường hợp đó thì chiến lược thường là lấy đi nguyên tố quan tâm từ khối vật mẫu bằng các quá trình giảm khối lượng hoặc giảm thể tích như là

sự kết tủa, sự chiết bằng dung môi, sự trao đổi ion, hoặc sự cất Sự lấy đi của khối nguyên tố ban đầu thì thường được tránh đi trước khi nó có thể phân hạt hoặc kết hợp với việc lấy đi nhân phóng xạ quan tâm trong sự có mặt của hạt tải của nó Sự phân ly tốt của một nguyên tố hạt tải có thể lấy đi lượng nhỏ các nguyên tố ban đầu, nhưng chúng thường bị lấy đi trong sự phân ly sau đó

Bên cạnh sự tinh chế riêng của nguyên tố hạt tải từ dung dịch ban đầu, sự giảm khối lượng đến mg để hạt tải dễ dàng còn lại trong hoạt động hóa học trước khi chúng có thể bị lấy ra ngoài trong thể tích nhỏ

Trong một số phép phân tích kích hoạt riêng, sự phân ly ban đầu có thể đủ cho

độ cần thiết của sự phân ly hóa học đối với phép đo phóng xạ Với những sản phẩm kích hoạt có thời gian sống ngắn, tổng sự phân ly hóa học có thể đạt được trong thời

gian đo phóng xạ trước khi chúng phân rã Phạm vi phát triển của phương pháp phân ly nhân phóng xạ đã dần dần phát triển Ví dụ: Sự phân ly hóa học của

14N(T1/2=8 giây) được sinh ra từ phản ứng 16O(n,p) đã được bằng quá trình cất trong 7s, phương pháp thông thường cho sự phân ly nhanh hóa phóng xạ thì để chuẩn bị vật liệu bia trong hóa học và vật lý phù hợp với sự hòa tan nhanh, trao đổi hạt tải và

để giảm thời gian chuyển đổi từ sự chiếu xạ cuối đến khi bắt đầu sự phân ly Hệ thống truyền tải khí thì thường sử dụng đối với sự cung cấp nhanh của vật bị chiếu

xạ cho phòng thí nghiệm hóa phóng xạ

Sự cách ly hạt tải

Sự lấy đi của nguyên tố hạt tải từ một số lớn dung dịch ban đầu của kỹ thuật phân li thì khả dụng Việc lựa chọn thì thường được xác định bằng việc lấy đi các nguyên tố không liên quan Trong nhiều trường hợp có vài phương pháp tốt như nhau thì phù hợp và sự lựa chọn cuối cùng được điều khiển bởi các nhà phân tích thực nghiệm Một số dạng thông thường của sự phân ly bao gồm; sự kết tủa, trao đổi ion, sự chiết bằng dung môi, sự cất và sự mạ điện Nguyên lý của các phương pháp này thì được tổng hợp trong mục 6.2

Giới hạn trong việc lựa chọn của các phương pháp phân ly thì thường được thí nghiệm duy nhất khi hạt tải của các nguyên tố tương tự được thêm vào lúc đầu Ví dụ: việc loại bỏ hạt tải Ba và Sr từ dung dịch ban đầu sẽ cần đến sự phân ly xảy ra sau đó của hạt tải Ba và Sr trước khi chúng được tinh chế riêng lẻ

Tiếp theo, sự phân ly của mỗi hạt tải xảy ra sau hoạt động hóa học có thể bị lấy ra ngoài bằng việc sử dụng kỹ thuật “ phân tích hóa học bán vi lượng” Đây là phương pháp duy nhất bao gồm lượng nhỏ mg thuốc thử Các phương pháp như vậy thì thường được tiến hành trong một thể tích nhỏ (<40ml), dung dịch và chất kết tủa thì được thao tác trong cùng một máy ly tâm, cột trao đổi ion có kích thước nhỏ, phểu chiết dung môi…Những kỹ thuật như vậy đưa đến những thuận lợi của việc hoàn thành nhanh của phép tính

Khi hạt tải đã đủ tinh khiết, nó thường được biến đổi thành một số dạng hóa học phù hợp với việc xác định hiệu suất hóa học hoặc thiết bị cho một phép đo

phóng xạ Trong các trường hợp sau, hiệu suất hóa học có thể được xác định sau phép đo phóng xạ Một số phương pháp riêng để xác định hiệu suất hóa học được liệt kê trong mục 6.1.2

Cô lập hạt nhân phóng xạ

Cô lập hoàn toàn của một phần tử hạt tải "tinh khiết" là một yêu cầu cao nhất cho một hạt nhân phóng xạ “sạch” Bari tinh khiết trong hợp chất được tách ra nhờ hạt tải strontium Theo sự đánh giá chung của cách tách, cả hạt tải và hạt nhân phóng xạ, được xác định bởi sự thay đổi trong kết quả tạo thành từ cách tiến hành tách bằng hóa học

Đối với số lượng hạt tải, hiệu suất hóa học của một phương pháp tách đặc biệt cho bất kỳ hai nguyên tố được xác định bởi hệ số phân ly SF mà được định nghĩa là

tỷ lệ nồng độ của hai số nguyên tố trước và sau khi tách :

[ ] [ ] [ ] [ ]f i i f

i i

f f

C D DF

C D

= (2)Trong đó :

C i = Hoạt độ ban đầu của hạt nhân phóng xạ tác động,

D i = Hoạt độ ban đầu của hạt nhân phóng xạ mong muốn,

Và chỉ số dưới f ý nói nó là hoạt độ cuối cùng của hai nguyên tố sau khi tách

Nhìn chung, hệ số làm sạch của 104 hoặc lớn hơn được tìm cho phương pháp tách hạt nhân phóng xạ Tuy nhiên, nếu nguyên tố vi lượng tạo ra một hạt nhân phóng xạ mà hoạt độ của nó chỉ được đo bằng phương pháp hóa phóng xạ mang lại

hệ số làm sạch cao hơn mong muốn

Ngoài những phương pháp tách cụ thể để loại bỏ nhân phóng xạ mong muốn

từ những hạt nhân phóng xạ động, phương pháp tách có thể được dùng để loại bỏ những hạt nhân phóng xạ cụ thể từ hạt tải trong dung dịch Chúng được gọi là quá trình lọc, nói chung chúng tham gia việc bổ sung thêm hạt tải thích hợp trong dung dịch và thêm các hạt tải để tạo thành kết tủa Các kết tủa mang hạt nhân phóng xạ can thiệp đi loại bỏ Kỹ thuật này thường được sử dụng trong chiết xuất dung môi

và sự phân ly trong dung dịch trao đổi ion

Đối với phân tích kích hoạt của các nguyên tố vi lượng đến mức gần độ nhạy cao nhất, kiểm tra nghiêm ngặt nhiều lần trong hóa phóng xạ đã được phát triển để

đo mức phóng xạ thấp nhất Nếu chất kết dính hoặc những thành phần nguyên tố chính trong số lượng hạt nhân phóng xạ can thiệp, hệ số làm sạch khoảng 109 hoặc cao hơn có thể được yêu cầu

Hóa phóng xạ sơ cấp có thể được định nghĩa là sự phân tách của hạt nhân phóng xạ với tốc độ đếm tỉ lệ với tốc độ đếm của mẫu trắng Những máy đếm phông thấp dùng để đo mức phóng xạ thấp đã được mô tả trong mục 5.2.1 Như vậy thông thường những phông đó giới hạn khoảng từ 0,2 đến 1cpm

Mẫu trắng trong phân tích hóa học là một mẫu mà được xử lý tương tự mẫu được phân tích Mẫu trắng là chất thử thì được sử dụng trong phân tích kích hoạt khi xử lý mẫu trước chiếu xạ là bắt buộc Các mẫu trắng bắt đầu với cùng một lượng của chất phản ứng hoặc nước khử ion hóa được sử dụng để hòa tan các mẫu thực tế Mẫu trắng theo đó sẽ cho biết nồng độ các nguyên tố từ phản ứng dùng trong xử lý mẫu trước khi chiếu xạ và chất phóng xạ nào đó được đưa vào mẫu từ các phản ứng và các hạt tải xử lý trước khi đo tổng bức xạ Gần như tất cả các hóa chất sản xuất đều có chứa một số phóng xạ từ hai nguồn là tự nhiên hoặc thử nghiệm vũ khí hạt nhân, mẫu trắng thường có chứa một số phóng xạ Trong một số

trường hợp, tốc độ đếm của mẫu trắng thường là lớn hơn một ít so với số đếm phông Cả hai đều đóng góp vào tốc độ đếm của mẫu trắng nên phải trừ đi để có được tốc độ đếm của mẫu Các mức độ kích hoạt mà hóa phóng xạ sơ cấp thường xác định hệ số của hoạt độ của mẫu trắng cộng với hoạt độ phông coi như không đáng kể

Những lưu ý chính cho hóa phóng xạ ở mức sơ cấp (cũng thích hợp cho mức cao cấp ) như sau:

1 Lựa chọn các thuốc thử và biện pháp mà làm giảm số đếm phông của mẫu trắng

2 Lựa chọn các biện pháp mà có hiệu suất hóa học cao và độ tinh khiết của hóa phóng xạ cao

3 Lựa chọn các điều kiện của nguồn để hiệu suất của nguồn đạt đến mức

độ tối đa

Các phương tách hóa học phổ biến cho các mẫu có hoạt độ mức cao Sự khác biệt giữa hai trong những hệ số được liệt kê ở trên được chú ý nhiều là cần thiết trong việc lựa chọn thuốc thử và chất tải hoá học được nhắc lại nhiều trong các bước tách cụ thể để đạt được hệ số làm sạch cần thiết

Sau khi đạt được sự tinh khiết yêu cầu chất tải được chuẩn bị phù hợp để đo bức xạ Phương pháp kỹ thuật cho sự chồng chập và tăng lên trong số đếm của mẫu

là khác nhau Cần xem xét đến nhiều yếu tố như là diện tích mẫu, khối lượng, loại bức xạ, năng lượng của bức xạ và các loại mẫu trang bị phù hợp với các thiết bị dò

có sẵn

Dung dịch đó có thể được làm bay hơi trên đĩa hoặc trên tấm kim loại mỏng tròn Thông thường, quan tâm lớn nhất là tránh đổ mẫu ra ngoài và thu được các lớp trầm tích dày đều nhau Đối với các phép đo tia gamma, những dung dịch đó có thể được chuyển trực tiếp đến một lọ nhỏ tại đó thể tích chuẩn của dung dịch được tính Một phương pháp phổ biến khác là làm kết tủa các hạt tải và lọc chúng trên tờ giấy lọc Kết tủa được sấy khô sau đó đem cân để xác định sản lượng hóa học trước khi đặt vào phép đo bức xạ Trong nhiều trường hợp hạt nhân phóng xạ có thể được mạ

điện, hạt tải tự do hoặc một số lượng nhỏ hạt tải được phủ lên đĩa kim loại mỏng của điện cực.

6.2 Các phương pháp tách

Nguyên tắc trong việc lựa chọn các phương pháp phân tách trong hoá phóng

xạ bao gồm xem xét một số mục tiêu chung Cho đến nay, trong hầu hết những ứng dụng tính chất của những đồng vị phóng xạ can thiệp hoặc các thành phần vĩ mô cần phải xem xét về tính chất hóa học cụ thể của chúng đối với các nguyên tố mong muốn Mặc dù một số lượng lớn các kỹ thuật được sử dụng trong phương pháp tách bằng hóa phóng xạ, nhưng số lượng thực tế sử dụng trong hầu hết các phân tách là nhỏ Chúng tham gia vào các quá trình chính cho việc xử lý ion vô cơ có nồng độ thấp Đó là sự kết tủa (hoặc hiện tượng lắng ), sắc ký trao đổi ion và chiết xuất dung môi Đối với một số kỹ thuật chưng cất và mạ điện cũng được sử dụng phù hợp với hóa phóng xạ

6.2.1 Sự kết tủa

Sự kết tủa là kỹ thuật hóa học cổ điển nhất dùng cho tách bằng hóa học Cơ sở

để phân tích trọng lượng là việc xác định số lượng của vật chất đã biết thành phần bằng cách cân khối lượng của chúng Nếu kết tủa đã bị hòa tan, có thể xác định được bằng cách phân tích thể tích là phép đo số lượng bằng sự chuẩn độ với một lượng cân bằng hóa học của chất phản ứng Sự phân tách kết tủa là phương tiện chủ yếu trong những phương pháp tách hóa phóng xạ được thích nghi từ phân tích hóa học thông thường

Sự kết tủa có thể được định nghĩa là sự lắng xuống của chất rắn từ một dung dịch do hoạt động của một tác nhân được thêm vào như là: một thuốc thử hóa học, nhiệt, điện, hoặc năng lượng âm Cơ chế của sự kết tủa là phức tạp Rõ ràng sự hình thành của pha chất rắn sau quá trình cấu tạo nên hạt nhân không hoàn toàn được hiểu rõ Dung dịch đã biết chứa tập hợp phân tử ( phôi tinh thể ) của các chất tan được phân tán ngẫu nhiên khắp dung môi Những tập hợp đó trải qua hình thành liên tục, và sự hòa tan đó cân bằng với dung môi xung quanh Nếu tập hợp phân tử

có kích thước giới hạn vượt quá thì tập hợp những phân tử đó trở thành tinh thể và tinh thể này tiếp tục phát triển Quá trình cấu thành hạt nhân đòi hỏi một dung dịch bão hòa nghĩa là một trong những sản phẩm hòa tan của lượng chất tan bị vượt quá Tốc độ của kết tủa xảy ra phụ thuộc một phần vào mức độ bão hòa Nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến độ tinh khiết, tính chất đầy đủ, và tỷ lệ của chất kết tủa Trong

số đó là nồng độ tạp chất, loại tác nhân kết tủa sử dụng, số lượng vượt quá tác nhân

sử dụng, nhiệt độ, và tỉ lệ khuấy

Ảnh hưởng của tỷ lệ kết tủa có thể được chia thành hai loại : kết tủa chậm và kết tủa nhanh Sự kết tủa ở mức chậm được mong muốn cho sự phân ly trong phân tích, sau đó thông thường kết quả của sự hình thành là một lượng lớn tinh thể Những tinh thể đó chiếm một thể tích nhỏ hơn, ít làm bẩn dung dịch và dễ dàng lọc

và rửa sạch kết tủa chậm có thể được thực hiện theo hai cách:

1 Bằng cách thêm một dung dịch loãng dần dần của chất làm kết tủa rồi từng bước khuấy lên từ từ để làm ấm hoặc làm nóng dung dịch

2 Bằng cách thêm chất kết tủa gián tiếp từ dung dịch ví dụ như là kết quả thủy phân của chất phản ứng này

Phương pháp đầu tiên làm tăng số lượng kết tinh lại trong suốt quá trình thủy phân của chất kết tủa, trong khi kết quả phương pháp thứ hai trong cấu tạo hạt nhân cho một số lượng nhỏ tinh thể, cả hai quá trình dẫn đến sự hình thành các tinh thể lớn Phương pháp thứ hai đó được gọi là sự kết tủa từ các dung dịch đồng nhất và một số ví dụ được liệt kê trong bảng 6.1

Bảng 6.1 Tóm tắt các phương pháp kết tủa mà sử dụng từ dung dịch đồng

Trimethyl phosphate Zr

Axít Metaphosphoric Zr

Oxalate Dimethyl oxalate Th, Ca, Am, Ac,

kiềm thổ Diethyl oxalate Mg, Zn, Ca Urea và một oxalate Ca

Sulfate Dimethyl sulfate Ba, Ca, Sr, Pb

Axít Sulfamic Ba, Pb, Ra Kali methyl sulfate Ba

Ammonium persulfate Ba Hợp chất kim loại và persulfate Ba Sulfide Thioacetamide Pb, Sb, Bi, Mo, Cu,

As, Cd, Sn, Hg, Mn Iodate Iodine và chlorate Th, Zr

Periodate và ethylene diacetate Th, Fe(III) (hay β - hydroxyethyl acetate)

Ce(III) và bromate Ce(IV) Carbonate Trichloroacetate Kiềm thổ, Ba, Ra Chromate Urea và dichromate Ba, Ra

Kali cyanate và Ba, Ra Dichromate

Cr(III) và bromate Pb

Chloride Ag ammonia phức tạp và β - Ag

Hydroxyethyl acetate

Tetrachlorophthalate Axít Tetrachlorophthalic Th

Dimethylglyoxime Urea và hợp chất kim loại Ni

8-Hydroxyquinoline Urea và hợp chất kim loại Al

a Từ I M Kolthoff, P J Elving, và E B Sandell, Treatise on Analytical Chemistry,phần 1, quyển

1, trang 741 (Wiley-Interscience, New York, 1959) Phương pháp được cho bởi L Gordon, M L

Salutsby, và H.H Willard, Precipitation from Homogeneous Solution (Wiley, New York, 1959).

Những chất kết tủa xảy ra trong các tinh thể có kích thước rất nhỏ, nghĩa là có đường kính nhỏ hơn 1μ, được gọi là keo Kết tủa keo thường được tránh trong phân tích trọng lượng bởi vì chúng khó khăn để xử lý Chúng có thể truyền trực tiếp thông qua giấy lọc thông thường và đòi hỏi nhiều kỹ thuật như là siêu lọc và siêu ly tâm được thu thập một cách hiệu quả Tuy nhiên trong phân tích hóa phóng xạ kết tủa dạng keo có thể quan tâm theo hai cách:

1 Sự tách hạt tải tự do trong nhân phóng xạ từ các dung dịch mà sản phẩm tạo

ra là một hợp chất được xem như không hòa tan trong nồng độ hạt tải là không vượt quá

2 Sự hấp thụ của hạt nhân phóng xạ can thiếp hiện tại trong nồng độ hạt tải tự do.

Đặc tính sau cùng mà trong đó hạt tải của một chất kết tủa với hợp chất của chất tan khác từ dung dịch thì được gọi là hiện tượng cùng lắng Nó có tầm quan trọng chung trong hóa phóng xạ Sự đưa vào sử dụng của các chất bị dơ lắng xuống

có thể xảy ra thông qua một số cơ chế như tinh thể hỗn hợp, sự hấp thụ bề mặt, sự hút giữ (và bao gồm ) và sau khi kết tủa

Trong hiện tượng cùng lắng tinh thể hỗn hợp của chất gây ô nhiễm thì được chứa đựng như là dung dịch đặc Những hợp chất đồng hình là dạng của những tinh thể hỗn hợp chẳng hạn như đất hiếm, có hiện tượng lắng dưới được hình thành từ các thành phần mà hằng số mạng tinh thể không khác nhau nhiều hơn 5% từ những cái khác Yêu cầu này không cần đáp ứng nếu nhân phóng xạ lắng xuống trong hạt tải hay những vết đậm Nếu nồng độ của tạp chất là đồng nhất trên toàn kết tủa, sự phân bố của các tạp chất giữa các kết tủa và dung dịch được đưa ra bởi định luật phân bố của Berthelot – Nernst là :

[ ] [ ]s S [ ] [ ]l l

[ ] [ ] [ ] [ ]

T = λ C (4)

Trong đó λ là hệ số phân bố logarit, các dấu ngoặc mà có chỉ số dưới (i) và (f)

là nồng độ của hạt nhân phóng xạ đánh dấu và hợp chất hạt tải (C) trong dung dịch Trong hầu hết những kết tủa hóa phóng xạ mà trong đó một vài kết tinh lại xảy ra, việc phân bố thực tế của một hiện tượng cùng lắng hạt nhân phóng xạ đánh dấu sẽ nằm đâu đó giữa sự phân bố đưa ra bởi hai qui luật Bằng thực nghiệm, xác định được hệ số phân bố làm sạch đạt được bằng các phương pháp kết tủa luân phiên nhau

Trong bề mặt hấp thụ không đầy đủ chỉ số ion phối trí trên bề mặt của tinh thể

là kết quả trong một mạng lưới hấp thu cho những ion khác trong dung dịch Những ion tương ứng trong kết tủa thì hút mạnh Nếu một trong các ion của một chất kết tủa thì vượt quá trong dung dịch, các ion tạp chất của các điện tích trái dấu có thể được gắn vào bề mặt của các tinh thể, những tinh thể ấy tiếp tục phát triển Hai đặc tính của kết tủa làm ảnh hưởng đến mức độ hấp thu bề mặt là diện tích bề mặt cụ thể (ví dụ, diện tích bề mặt trên một đơn vị trọng lượng) và các điện tích electron trên bề mặt chung của tinh thể dung dịch Các tính chất đặc biệt quan trọng đối với kết tủa keo mà biểu hiện là có hiệu quả cao đối với bề mặt hấp thu

Các cơ chế hấp thụ bề mặt có thể giải thích lý thuyết khuếch tán lớp kép trong

đó lớp 1 là cố định trên bề mặt và lớp tiếp giáp bên ngoài thì di chuyển tự do (lớp khuếch tán) Những lớp điện tích có được sự tồn tại của chúng để hấp thu các ion đã được trình bày ở phần bên trong của kết tủa Lý thuyết này giúp giải thích tại sao các dung lượng chất điện phân trong một dung dịch làm ảnh hưởng đến độ lớn và dấu của điện tích của chất kết tủa keo Các ion có mặt trong lớp ngoài khuếch tán của dung dịch keo kéo dài vào dung dịch ở ngoài, không có ranh giới rõ ràng giữa các ion trong lớp khuếch tán bên ngoài và những ion trong dung dịch cân bằng bên ngoài Nồng độ của các ion tạo thành lớp khuếch tán khác nhau và phụ thuộc vào nồng độ và độ pH của dung dịch bên ngoài Với sự bổ sung của một chất điện phân,

sự kết bông của một dung dịch keo thường là kết quả trong hấp thụ bề mặt của chất điện phân

Mức độ hấp phụ đã được mô tả bởi một quy tắc thực nghiệm, ví dụ qui tắc hấp thụ Paneth-Fajans-Hahn: một chất kết tủa có hiệu quả sẽ hấp thụ các ion mà các hợp chất với tinh thể của ion có điện tích trái dấu thì có tính tan thấp Mức độ hấp thu của một tạp chất cụ thể thì cũng phụ thuộc vào nồng độ của nó Các mối quan hệ thực nghiệm được cho bởi các đường đẳng nhiệt hấp phụ Freudlich:

và hydroxit tương ứng sẽ có hiệu quả là hiện tượng lắng xuống Theo đường đẳng nhiệt hấp thụ Freundlish, sự có mặt của hạt tải (một hạt tải làm cản trở ) làm giảm mức độ lắng xuống nếu hạt tải ion muối có điện tích trái dấu thì chỉ có thể hoà tan trên danh nghĩa

Sự hút của một tạp chất trong một kết tủa thì thường định nghĩa là sự hút cơ học hoặc sự bắt hạt của tạp chất bằng các lớp tinh thể phát triển nhanh chóng Quá trình kết tủa nhanh đó trong dung dịch và cả chất tan và dung môi có thể bị hút giữ dưới dạng kết tủa dưới diều kiện là cô dặc Hiện tượng cùng lắng bởi sự hút xảy ra phổ biến nhiều hơn chất kết tủa keo như là kết tủa hydrixit và sulfua Làm ngưng kết tủa có thể là kết quả trong sự cách ly của một vài tạp chất bị hút giữ Kết quả trong qui trình kỹ thuật hóa phóng xạ là thường được thực hiện dưới điều kiện không cân bằng trong đó sự hút giữ hạt tải tự do của phóng xạ hạt nhân tạp chất có

thể xảy ra Những biện pháp bao gồm việc sử dụng các hạt tải cản trở cho biết hạt nhân phóng xạ can thiệp thích hợp, làm ngừng của các kết tủa chậm.

Sau khi kết tủa thì một giai đoạn chất rắn thứ hai hình thành trên kết tủa của hạt tải hợp chất đầu tiên Nó có thể xảy ra khi tạp chất có xu hướng hình thành một dung dịch quá bão hòa ổn định đó là không có kết tủa trong dung dịch nguyên chất Một ví dụ của quá trình này trong hóa phân tích là sau kết tủa của magnesium oxalate trong calcium oxalate Magnesium oxalate hình thành từ dung dịch bão hòa

mà nó không sinh ra kết tủa trong dung dịch nguyên chất Nó không có hiện tượng cùng lắng xuống cùng với các kết tủa mới calcium oxalate Tuy nhiên, nếu calcium oxalate không phải lọc ngay lập tức, một giai đoạn chất rắn thứ 2 của magnesium oxalate sẽ kết tủa trên các tinh thể calcium oxlate

Các nguyên tắc của các quá trình kết tủa này cho biết rằng nó không có gắn với qui tắc kết tủa để tránh hiện tượng lắng xuống của tất cả các loại hạt nhân phóng

xạ can thiệp Nhiều phương pháp đã được phát triển trong hóa phóng xạ để giảm mức độ lắng xuống Một vài ý được tóm tắt trong bảng 6.2 Các qui tắc chung là kết tủa từ dung dịch loãng nóng, thêm các chất kết tủa vào từ từ Cùng với việc cho vào

đó ta khuấy đều dung dịch và cho phép kết tủa trước khi lọc và rửa với một dung dịch rửa phù hợp

Bảng 6.2 cũng cho thấy rằng tái kết tủa lại là một quá trình hiệu quả trong phóng xạ hóa học để cải thiện độ tinh khiết của các hạt tải kết tủa, không chú ý đến quá trình mà hạt nhân phóng xạ can thiệp đã bị lắng xuống Trong tái kết tủa lại, kết tủa đã bị hoà tan trong một dung môi thích hợp, pha loãng và các điều kiện kết tủa

Sự tái tạo kết tủa lại thông thường cho phép bất kỳ hệ số làm sạch cần tìm đều tìm được Nếu hạt nhân phóng xạ cụ thể can thiệp được biết có mặt, các hạt tải cản trở

có thể thêm vào để tăng hệ số làm sạch cho các hạt nhân phóng xạ

Bảng 6.2 Ảnh hưởng của trạng thái kết tủa trong sự tinh khiết của chất kết tủaa

Dạng không tinh khiết b

Trạng thái Tinh thể Bề mặt Sự hút Vỉ

pha trộn hút giữ kết tủa

b + = tăng độ tinh khiết

- = giảm độ tinh khiết

0 = không đáng kể hay không thay đổi độ tinh khiết

Một thuận lợi khác của chất kết tủa trong các kết quả hóa phóng xạ từ việc tách thông thường kết tủa từ các dung dịch nổi trên bề mặt bởi máy li tâm (centrification)và lắng gạt hơn bởi sự tách lọc Việc làm này cũng có thể dễ dàng để rửa kết tủa với ước số nhỏ của dung dịch loãng chất kết tủa trong dung dịch phản ứng hoặc nước Kết tủa có thể sau này được hòa tan trong các ống ly tâm giống nhau xảy ra sau Lọc trên các giấy lọc nhỏ (đường kính < 1 in ) thì thường được dùng để kết tủa cuối cùng của nguồn đếm trong một hợp chất của hệ số tủy lượng hoặc tái sản xuất để xác định hóa chất

6.2.2 Sắc ký trao đổi ion

Từ các mô tả của sắc phổ đầu tiên vào năm 1906, sắc ký đã được xác định bằng nhiều cách: nhưng nó là cơ bản của một quá trình tách trong đó hỗn hợp ion hoặc phân tử được tách bởi sự phân bố khác nhau của chúng giữa hai giai đoạn, nói chung là một di chuyển và một đứng yên Nếu giai đoạn đứng yên là bất kỳ của một

số lượng lớn các loại nhựa trao đổi ion, quá trình tách được gọi là sắc ký trao đổi ion Phương pháp phổ biến khác là phương pháp tách mà có liên quan đến giai đoạn

di chuyển và giai đoạn đứng yên bao gồm sắc ký phân đoạn và phép sắc ký chất khí

Phép sắc ký phân đoạn, được đặt tên vào năm 1942, chủ yếu là một quá trình chiết xuất chất lỏng - chất lỏng trong đó một trong các dung môi lỏng silicon (si) được duy trì trong một giai đoạn đứng yên, chẳng hạn như một cột silica gel Silica gel có thể hấp thu hơn 50% trọng lượng của nó trong nước mà ướt không đáng kể

và bởi vậy nó có chức năng là giữ cố định cho một giai đoạn do nước tạo thành Các vật liệu sử dụng như là vật liệu hỗ trợ bao gồm nhôm, khoáng chất, bari sulfat, sulfat canxi, cellulose, than, magie, và titan dioxied Mặc dù phép sắc kí phân đoạn thì được dùng cho việc phân tách của nhiều vật liệu ionrganic và được sử dụng nhiều trong phân tích hóa học, thành công của nó đáng chú ý trong việc tách của các chất hữu cơ Một phát triển gần đây trong phép sắc ký hấp phụ đã được sử dụng các dải giấy lọc như là dụng cụ hỗ trợ các giai đoạn đứng yên Quá trình này gọi là phép sắc ký giấy, đã được phổ biến trong phân ly hóa phóng xạ của các vật chất có hoạt

độ cao cụ thể, vì các dải giấy có thể được cắt thành những phần nhỏ để đo phóng

xạ

Phép sắc ký khí, giới thiệu vào năm 1952, là một hỗn hợp các phương pháp tách của các khí trong một giai đoạn vận chuyển khí vượt qua giai đoạn đứng yên, hoặc là một chất rắn hút hoặc chất lỏng hấp thụ được hỗ trợ trên một vật liệu mất hoạt tính, như trong phép sắc ký phân đoạn Khí vận chuyển thường là một khí trơ, chẳng hạn như hydro, heli hoặc nitơ Các chất rắn hấp thụ bao gồm alumina, silica gel, zeolit và than hoạt tính trong các kích cỡ hạt cụ thể, giới hạn từ 20 đến 200 mạng lưới Các chất lỏng hấp thụ bao gồm các dung môi hữu cơ như là paraffin lỏng, benzylbiphenyl, hoặc acetonylacetone Việc sử dụng các dòng chảy khí đốt tốt hơn là một chất lỏng chảy đã giới thiệu một số lợi thế về kỹ thuật ghi sắc, ví dụ như phép sắc ký khí là cần thiết cho các nuclit phóng xạ tách khí, chẳng hạn như krypton và xenon, và sử dụng rất lớn trong phân ly hóa học mà trong đó hạt nhân phóng xạ mong muốn có thể dễ dàng bốc hơi Phương pháp này thường dùng cho các chất có áp suất hơi lớn hơn khoảng 10 mm Hg ở nhiệt độ hoạt động của cột sắc

ký khí Các tài liệu tham khảo chung về phép sắc ký phân đoạn và phép sắc ký chất khí được đưa ra trong mục 6.4.2

Ion trao đổi nhựa, được sử dụng trong hóa phóng xạ, nói chung là một polymerized không hòa tan hydrocarbon với các vị trí lặp đi lặp lại cho các nhóm ion có thể dễ dàng phân ly Các loại nhựa này có thể trao đổi với các cation hoặc anion, theo điện tích nhóm ion hóa, ví dụ, nhựa trao đổi cation thường được làm bằng nhựa đã cố định các vị trí anion trong các hình thức như

nhóm Anino : Rs - NH2, Rs - NHR, R2 - NR2

nhóm Amoni bậc bốn: Rs – NR+

Loại thứ hai là đặc tính của nhựa mạnh cơ bản nó dùng cho sự phân ly-anion

vô cơ Hai đặc tính quan trọng của các loại nhựa trao đổi ion là không hòa tan và chất hóa học ổn định Vì hầu hết các polyme tuyến tính có chứa axít sulfonic hoặc nhóm amoni bậc bốn được hòa tan trong nước, mạng polyme, đó là, cấu trúc phân

tử có có mắc xích chéo, rất hữu ích cho các loại nhựa trao đổi ion Như nhựa hydrocarbon có thể thu được bằng cách trùng hợp của phenol và formaldehyde hoặc các styrene và devinylbenzene Hai loại nhựa phổ biến cho phân ly hóa phóng xạ là sunfonat hóa phenol-formaldehyde cho nhựa trao đổi cation và amoni bậc bốn cơ sở polystyrene-divinylbenzene cho nhựa trao đổi anion Các đơn vị có mắc xích chéo của hai loại nhựa trao đổi ion được thể hiện trong hình 6.1 Sự hydrat hóa, mà có xu hướng là cấu trúc lưới đặc sắc, tạo điều kiện trao đổi ion dễ dàng với các vị trí lưới bên trong

Số lượng các nhóm ion tao đổi được giới thiệu trong mạng polyme quyết định khả năng trao đổi của nhựa trong một đơn vị khối lượng Đơn vị của khả năng trao đổi thường được cho là milliequivalents phần gram đối với nhựa khô hay milliequivalents phần mililit đối với nhựa ẩm Tiêu biểu khoảng 4.6 meq/g và 2.0

meq/ml cho cation nhựa sunfat và khoảng 3.5 và 1.1 cho anion bazo bậc 4 bền vững.

Phép ghi sắc trao đổi ion trong hoá phóng xạ phổ biến được chuẩn bị bởi một cột nhựa trao đổi ion và dung dịch của nhân phóng xạ pha trộn tại đỉnh cột ở trạng thái đó nhân phóng xạ sẽ chuyển lên trên pha tĩnh Sau đó dung dịch gốc xuyên qua cột chứa nhân phóng xạ là nước giải hấp; tỷ lệ với chất di chuyển xuống cột được quyết định bởi sự sắp xếp hệ số của nhân phóng xạ cho hệ thống dung môi – nhựa Nếu hai chất hoá học tương tự như nhân phóng xạ di chuyển xuống cột với tỉ lệ khác nhau, một phổ tách của hai nhân phóng xạ được nhìn giống dải phép ghi sắc dạng Gauss được minh hoạ trong hình 6.2 Dạng cơ bản của đường cong tách trong phép ghi sắc trao đổi ion được biết đến là vấn đề nghiên cứu lớn Lý thuyết của phép ghi sắc trao đổi ion được mở ra từ cơ chế của sự trao đổi ion, bao gồm thuyết lưới tinh thể, thuyết lớp kép, và thuyết màng Donnan

Hình 6.1 Cấu trúc đơn vị của ion nhựa trao đổi: (a) cation Sulfonated phenol-

formaldehyde; (b) anion quarter-nary ammonium polystrene-divinylbenzen

Hình 6.2 Đường cong biểu diễn tách 2 ion A và B thông qua trao đổi ion cột

nhựaThuyết lưới tinh thể được rút ra từ sự giống nhau giữa sự trao đổi của lưới ion

và sự pha trộn của hai chất điện phân có thể hoà tan Nghiên cứu trong phạm vi rộng với zeolit tự nhiên, vật chất có độ xốp cao, cấu trúc chuỗi silicat đã chỉ ra đó là natri và canxi chất mà giữ cho vị trí lưới hợp chất có thể trao đổi thuận nghịch Trong kết tinh silicat đất sét vô cơ như kaolinite trao đổi anion đã được giải thích, ngược lại mont-morillinite thì chưa, cả hai ion này biểu hiện có thể trao đổi

Lý thuyết lớp kép của trao đổi ion xuất phát từ những đặc tính điện động lực học của các chất keo, đã được trình bày trong phần 6.2.1 Với nhựa trao đổi ion được giữ như là một chất kết tủa keo cân bằng với dung dịch ngoài, nồng độ của các ion trao đổi được trong lớp khuếch tán có thể xem như là biến thiên liên tục có liên quan đến nồng độ và pH của dung dịch ngoài Thêm các ion khác vào dung dịch, kết quả là ta có công thức thăng bằng mới mà trong đó một vài ion được thêm vào

đó đi vào lớp khuếch tán ngoài và thay thế, hệ số tỉ lệ, các ion trước ngăn trong lớp

đó Đó là kiểu khác với kiểu mạng tinh thể đầu tiên trong đó số tinh thể đổi chỗ thì được xác định không phụ thuộc vào pH hoặc nồng độ, nhưng trái lại trao đổi lớp kép lại phụ thuộc vào hai tham số Trong nhiều công thức cả hai loại trao đổi có thể xảy ra đồng thời

Theo lý thuyết màng Donnan liên quan đến phân bố của các ion trong hai bên của một màng mà một bên có chứa chất điện phân, một bên chứa các ion của nó không thể khuếch tán xuyên qua màng Tương tự trao đổi ion là một cấu trúc nhựa cách ly được các ion trao đổi được mà các ion đó không thể khuếch tán; ví dụ, trong chất axit mạnh nhựa trao đổi cation, sunphonat, hoàn toàn tiếp tục trong pha nhựa, thì nó không khuếch tán ion Với một dung dịch axit HCl theo lý thuyết Donnan thì liên quan đến nồng độ, với sự cân bằng như sau :

H+ Cl− H+ Cl−

        (6)Trong đó :

Dấu ngoặc chỉ nồng độ ion trong dung dịch ngoài (e) và dung dịch trong là (r) Trung hoà điện tích (electroneutrality) yêu cầu :

−SO3− là nồng độ ion sunphonat ở trong dung dịch Thay H+r vào thì ta được phương trình là :

−SO3 −r +Cl−  r Cl−r ; H+  Cl− (8)

Vì vậy thuyết Donnan đưa ra phương pháp tính toán nồng độ của một ion (trong ví dụ này là, Cl−) nếu nồng độ của ion trong dung dịch ngoài đã biết Lý thuyết đó cũng phù hợp với lý thuyết tinh thể màng Thực tế, chỉ có một điều khác biệt giữa ba lý thuyết là trong luận điểm và nguồn gốc của chỗ trao đổi Từ đó bất kì

lý thuyết nào cũng thỏa mãn định luật trung hoà, chúng tương tự như lý thuyết của dung dịch chất điện phân

Nhiều hệ thức khác hơn lý thuyết Donnan là sự cân bằng của việc trao đổi ion

đã được đưa ra Hai công thức cho phương pháp trao đổi ion cột đã được căn cứ trên định luật tác dụng khối lượng và lý thuyết bản chưng cất (the distillation plate theory)

Sử dụng định luật tác dụng khối lượng xem nhựa như là một giải pháp lý tưởng cho các quá trình trao đổi thuận nghịch Do đó việc trao đổi các ion strontium với cation sodium có thể được viết dưới dạng

2

2

2 NaR Sr SrR 2 Na + + ƒ + + (9)Định luật tác dụng khối lượng định nghĩa hệ số cân bằng nhiệt động lực học K bằng tỷ số của tích các chất tạo thành, hoặc trong dung dịch pha loãng (hệ số độ hoạt hóa gần đúng tới phần tử đơn vị ) trên tích của các chất tham gia phản ứng

[ ] [ ]

2

2 2

SrR Na K

+ +

.W

r d s

E V K

E

= (11) Trong đó :

Er và Es là số đương lượng E của các cation lần lượt trong nhựa r và trong dung dịch s

W là khối lượng (đơn vị grams) của nhựa,

V là thể tích (đơn vị ml) của dung dịch trong công thức

Kd là hệ số phân bố cũng có thể được tìm thấy trong lý thuyết của Donnan

Lý thuyết bản của cột trao đổi ion là quá trình được rút ra từ lý thuyết của cột chưng cất trong đó cân bằng đúng là không bao giờ đạt được Một bản được định nghĩa như là độ dài của cột mà trong đó nồng độ trung bình của ion trong hai pha là

giống nhau đó là cân bằng đúng cho hai pha trong độ dài của cột Độ dài của cột theo vật lý mà trong đó cân bằng này xuất hiện được gọi là “độ cao tương đồng với bản ban đầu” (“ chiều cao tương đương một bản lý thuyết ” ), viết tắt là HETP Trên

cơ sở giả định rằng việc trao đổi ion cột nhựa là một loạt cân bằng các bản lý thuyết, mỗi cái trong số đó ở trạng thái cân bằng, và số lượng các ion trong mỗi bản

là nhỏ so với tổng số lượng các ion trong nước giải hấp, đường cong tách được trình bày trong hình 6.2 được cho bởi phương trình tách :

*

( 1)

U =V C+ (12)Trong đó U*= thể tích của nước giải hấp truyền qua cột vào các điểm tách (ml)

C = là hệ số phân bố, số ion của nhựa trong bản trên số ion trong dung dịch xen kẽ của bản giống nhau; C có thể xét để trở thành hệ số phân bố K d

[được định nghĩa trong (11)] cho mọi bản và có thể được diễn đạt như sau :

z

KQW C

V El±

=

 

  (13)Trong đó :

K= hệ số cân bằng,

Q = khả năng trao đổi của nhựa (meq/g),

W = khối lượng nhựa trong cột (g),

Đường cong tách trong hình 6.2 có thể đơn giản hơn bằng cách giả sử nó có hình dạng của phương trình Gauss bình thường [thấy ở (5.31)] Giả định này cho phép nồng độ tách liên quan đến thể tích tách:

2 * 2

* (U U )

M =M e− σ − (14)Trong đó

ax

m

M =M* xảy ra khi U max=U* và σ là bề rộng của đường cong Gauss lúc

M = (1/e)M* Bề rộng σ được cho bởi

Lý thuyết bản của phương pháp tách có thể được sử dụng để ước tính độ dài tối thiểu của một cột trao đổi ion cần thiết để đạt được một số lượng nhóm tách với một số mức độ nhận được của tiết diện ô nhiễm (cross-contamination), ví dụ: 0,01% Nó cũng cho phép ước lượng thể tích tối thiểu cần thiết của chất cần chiết để loại bỏ một ion đặc biệt từ cột Khi sự can thiệp nuclit phóng xạ đã được tách đầy

đủ, các chất cần chiết (eluant )có thể được thay đổi trong nồng độ hoặc để loại bỏ các yếu tố vận chuyển hoặc can thiệp nuclit phóng xạ khác Với sự lựa chọn phù hợp các loại nhựa, dạng ion của nuclit phóng xạ đòi hỏi, và eluants, đủ độ tinh khiết hóa phóng xạ có thể thu được từ các nuclit không phóng xạ chỉ bằng sắc ký trao đổi

ion Trao đổi ion là sử dụng một vật thay thế miễn là vẫn còn được chưng cất nước trong nhiều phòng thí nghiệm hóa phóng xạ Nó cũng được sử dụng trong việc loại

bỏ số lượng các vết tạp chất ảnh hưởng từ hóa chất thử để sử dụng trong điều trị trước khi chiếu xạ của mẫu phân tích kích hoạt

6.2.3 Chiết xuất dung môi

Chiết xuất dung môi được sử dụng trong hóa phóng xạ vì vài lý do; đáng chú ý trong số đó là tính đơn giản, đặc trưng, và tốc độ Đặc tính tốc độ đặc biệt quan trọng cho việc tách các sản phẩm kích hoạt có thời gian sống ngắn Chiết xuất dung môi áp dụng cho ngành hoá phóng xạ, thường bao gồm chuyển một nguyên tố tải từ dạng ion trong dung dịch nước sang dạng không phân cực trong đó nó có thể di chuyển (chiết) vào một dung môi hữu cơ

Hầu hết các nguyên tố tải muối thì điện phân mạnh Mặc dù chúng hầu hết không hòa tan trong dung môi hữu cơ, chúng được chọn là chất tải, bởi vì chúng hòa tan trong nước Để chiết dung môi các ion ngậm nước phải chuyển đổi thành một dạng không mang điện hoặc phức tạp hơn là hòa tan trong một số dung môi hữu cơ Các yêu cầu thông thường, vì hầu như tất cả các ion kim loại, mà các phân

tử nước được sắp xếp để loại bỏ các ion trước khi một phân tử phức hợp mà nó hòa tan trong dung môi hữu cơ có thể được hình thành Sự đa dạng lớn của cả hai hình thức phức tạp cụ thể của các cation và các ion và các dung môi hữu cơ cụ thể mà chúng hòa tan tạo ra một đa dạng lớn của các phương pháp chiết cụ thể cho nhiều nguyên tố với một mức độ cao của sự phân ly cho tất cả các nguyên tố khác

Một lợi thế của chiết dung môi trong ngành hóa học phóng xạ là thu được sự phân ly từ các hạt tải tự do của nuclit phóng xạ nhiễu Hiện tượng của sự chọn lọc chung (tức là, sự tách của một nguyên tố vi lượng với các nguyên tố hạt tải mà trong đó nguyên tố vi lượng sẽ không tách ra trong lượng lớn), thì hầu như chưa được biết trong chiết bằng dung môi

Có hai hình thức nói chung mà trong đó hình thức phức hợp không phân cực

có thể tạo ra từ các ion như kim loại Đầu tiên là hình thức của hợp chất phức hóa

học có liên kết phối trí, trong đó hợp chất là dung môi chiết quan trọng nhất Thứ hai là dạng phức được gắn tĩnh điện nghĩa là tạo ra các hợp chất có ion liên kết.Điều đáng lưu ý của các phức chất có liên kết phối trí cho sự tách bao gồm ba loại:

Các hình thức phổ biến nhất của phức chất phối trí là hợp chất nội phức trong

đó các chất tạo phức chiếm hai hoặc nhiều vị trí phối của các ion kim loại để tạo thành một hợp chất vòng Một số loại của các chất phản ứng hữu cơ hình thành liên kết cộng hóa trị với các kim loại được liệt kê trong bảng 6.3 Hầu hết các chất phản ứng ở dạng hợp chất bền vững với năm hoặc sáu vòng phân tử

Các phức hệ của kim loại gồm các dạng cation hay anion vẫn có thể được chiết nếu chúng có thể được chuyển đổi thành các hợp chất không mang điện bởi liên kết tĩnh điện với các ion tích điện trái dấu Ví dụ các hệ thống phức được đưa ra trong bảng 6.3 Kim loại này có thể được chứa trong cation hay ion của các cặp ion Một ví dụ phức hệ ion liên kết [(C H6 5 4) As MnO+, 4−] có thể được dùng để tách arsen hoặc hạt tải mangan

Bảng 6.3 Các công thức chiết suất kim loại trong dung môia. Nhóm phản ứng

I Công thức của chất tạo phức

II công thức liên kết ion

A Kim loại gồm cation của cặp ion

B Kim loại gồm anion của cặp ionb

1 Halides (GaCl4−

)

2 Thiocyanates (Co CNS( ) )4−

3 Oxyanions MnO4−

4 Anionic chelates (Co NitrosoRsalt( ) )33−

aTừ G.H.Morrision and H.Freiser , Extraction , Anal.Chem.30,632-640(1958), by permission of the American Chemical Society.

b The cation member associated with these metal-containing anions is usually of an “onium”

type such as oxonium, e.g.,ROH2+,R OH2 +,R COH2 +; ammonium, e.g , RNH3+, ,R N4 +;arsonium, R As4 +; phosphonium, R P4 + ; stibonium, R Sb4 +, sulfonium, R S3 +

Phần thứ hai của phương pháp tách là việc chuyển các phần tử phức vào các dung môi hữu cơ Phương pháp này thường được thực hiện trong phương pháp hóa phóng xạ bằng phương pháp chuyển tách trong đó dung dịch có chứa hợp chất tách được lắc đều với dung dịch hữu cơ trong một cái phễu tách, và sau đó hai dung dịch không trộn lẫn đã được tách biệt với một dung dịch nặng hơn thì được loại bỏ bằng cách là ta điều chỉnh van trong suốt quá trình chiết

Mức độ chuyển từ một dung môi khác được đưa ra bởi đường đẳng nhiệt Nernst, được định nghĩa là sự phân bố của một dung dịch được phân chia giữa hai dung dịch không trộn lẫn được Đối với một hệ thống có nhiệt độ không đổi, và trong đó dung dịch có các phân tử có trọng lượng giống nhau trong cả hai dung dịch, tỷ lệ nồng độ ở trạng thái cân bằng được cho bởi một hệ số phân bố K d được định nghĩa là :

[ ] [ ]21

d

M K M

= (19)Trong đó :

Dấu ngoặc vuông biểu thị sự nồng độ của dung dịch M trong dung dịch 1 và dung dịch 2 Theo định luật phân bố, mặt dù không tuân theo chặt chẽ định luật

nhiệt động học, thì ta vẫn đưa ra một cách hợp lý gần đúng để tách nguyên tố tải tự

do trong thang đo thể tích của phòng thí nghiệm nhưng có thể rắc rối nghiêm trọng

về độ lệch nồng độ của các hạt tải, đặc biệt nếu các nguyên tố hạt tải bị cũng rắc rối trong bất kì kết tụ hóa học hay phân rã hóa học với các dung dịch khác

Đạo hàm đường đẳng nhiệt Nerst và chú ý đến nhiệt động lực học có thể được tạo ra mà trong đó sự phân bố của chất tan là ở trạng thái cân bằng khi một phần mol F năng lượng miễn phí của chất tan trong mỗi dung dịch là cân bằng Một phần mol năng lượng miễn phí được viết bởi :

{ }

0

ln

F =F +RT A (20)Trong đó:

0

F =là một giá trị không đổi cho một dung dịch tiêu chuẩn, chẳng hạn như 1 mol

R = là hằng số khí,

T = là nhiệt độ tuyệt đối,

{A} = là hoạt độ mol

Các hoạt độ mol được định nghĩa là :

{ }A =γ{ }A (21)

Trong đó:

[A] = là nồng độ chất tan, mol/kg,

γ = hệ số của hoạt độ mol.

0 0

1 2

( )/

2 1

F F RT

A

e A

Từ khi dung dịch vô cơ không ảnh hưởng đến tính không trộn lẫn của hai chất hòa tan, các giá trị của 0

= = (24)Nhìn chung, trường hợp chiết bằng dung môi, mà trong đó độ lớn hiệu ứng hóa học giữa dung môi và các chất tan là không rõ, tất cả sự phân bố của các nguyên tố hạt tải giữa hai chất hòa tan thì được xác định bởi tỉ lệ hệ số tỉ lượng phân

bố D

[ ] [ ]0a

C D C

= (25)Trong đó :

Dấu ngoặc chỉ tổng nồng độ các nguyên tố hạt tải trong chất hữu cơ và giai đoạn ngậm nước Trong một hệ không có tương tác thì hệ số phân bố D sẽ bằng với

hệ số phân số p Tuy nhiên trong thực hành D có thể thay đổi với sự thay đổi trong điều kiện chiết suất như pH và tổng nồng độ muối Hệ số phân bố có thể cũng biểu thị như là sự biểu thị hiệu suất, phần trăm chiết suất, % E được viết :

D V V

=+ (26)Trong đó :

Vw và V0 là thể tich tương ứng của các giai đoạn ngậm và hữu cơ

Trong hàng loạt phương pháp tách chiết tách của hạt nhân phóng xạ mong muốn từ hạt nhân phóng xạ nhiễu xạ được làm bằng cách lựa chọn các dạng chiết thích hợp mà đưa ra sự khác biệt lớn trong chất chiết Tính hiệu quả của việc tách

có thể được biểu thị như là một hệ số phân ly mà nó được liên kết với hệ số phân bố của hai hạt nhân phóng xạ trong hai dung dịch

( ) ( ) ( ) ( )21 00 12 ww 12

//

β = = (27)Trong đó :

C1 là nồng độ của các hạt nhân phóng xạ mong muốn trong từng giai đoạn và

C2 là nồng độ của các hạt nhân phóng xạ can thiệp vào từng giai đoạn tương ứng.Điều chú ý quan trọng nhất trong phương pháp chiết tách dung dịch là sự lựa chọn hệ thống dung môi phức tạp mà tạo ra β đủ lớn để đạt được một sự phân ly thỏa đáng Một số kỹ thuật đã được phát triển cho các phương pháp chiết bằng dung môi hạt nhân phóng xạ làm β đạt cự đại để cho phân ly hạt nhân phóng xạ cụ thể, trong đó được bao gồm :

(a) Sự pha trộn các dung môi,

(b) Sự loại bỏ hoặc sự phân ly ngược lại,

(c) Sự rửa ngược,

(d) Quá trình oxy hóa và giảm bớt ,

(e) Sử dụng các tác nhân che,

(f) Sử dụng các tác nhân kết tinh muối

Sự pha trộn của các dung môi được sử dụng để tăng các hệ số phân ly cho các hạt nhân phóng xạ cụ thể hoặc pha loãng một số hợp chất hữu cơ để tăng khả năng chiết xuất của chúng Loại bỏ là việc loại bỏ các hạt tải được chiết xuất từ dung môi hữu cơ để sau đó thực hiện việc tách hóa phóng xạ Loại bỏ có thể đạt được bằng cách làm bay hơi các dung môi hữu cơ trong sự hiện diện của một lượng nước nhỏ

để giữ các chất tan hoặc bằng cách lam tiêu tan hơi bốc lên trong sự có mặt của axit mạnh như axit sulfuric, axit nitric hoặc axit perchloric Sự phân ly ngược trở lại là loại bỏ bằng phương pháp hóa học trong đó các chất tan được chiết xuất trở lại vào giai đoạn ngậm nước với dung dịch có chứa các axit hay chất phản ứng khác để phá hủy các dạng phức tạp của các nguyên tố hạt tải (carrier element) Sự rửa ngược lại

là sự phân ly ngược lại (back extraction), với sự pha trộn mới của giai đoạn ngậm nước, các tạp chất của hạt tải vượt quá với hỗn hợp của các dung môi chiết xuất Bước này có thể loại bỏ nhiều tạp chất từ sự kết hợp của dung môi hữu cơ hỗn hợp với làm giảm một ít của nguyên tố hạt tải Khả năng chọn lọc tăng lên cũng có thể đạt được bằng cách thay đổi trạng thái ôxi hóa của một ion tạp chất là một không tạo thành một phức hợp phù hợp để chiết xuất Một thay đổi trong trạng thái ôxi hóa