中子活化分析

3） 破解牛顿死亡之谜
牛顿（1642-1727）两束头发中 汞（Hg) 铅（Pb） 锑
（Sb）等含量超标。 因汞
脏结石症的传统说法。
铅
锑 中毒而死，否认了内
牛顿怎样会重金属中毒呢？ 晚年光学和化学实验经常与这些重金属打交道； 喜欢 鉴赏重金属，经常用手抚摩；一间居室用含有有毒硫化汞 漆粉刷的。
4）秦兵马俑“产地” 之谜
+ 4He
12C
13N
+n
+ n + 1.07MeV
2. 自发裂变中子源(Spontaneous fission)
For
252Cf,
yield=106 µ g-1 s-1
252Cf
1 gram
1012 s-1 7Li(p,n)7Be; 3H(p,n)3He 2H(d,n)3He; 3H(d,n)4He
而确定样品中的核素成分和含量的一种分析
方法。
（ n , )中子活化分析基本原理
“ 核指纹”： 不同放射性同位素的半衰期和发射射线的能量 都是不同的，如同人的指纹一样；没有发现两个不
同的放射性同位素有相同的半衰期或 射线能量。
不同的稳定元素被中子照射，活化生成不同的
放射性同位素，其半衰期和 射线能量也是不同的。
4
中子活化技术的应用举例
1） 2） 3） 4） 5） 6） 恐龙灭绝原因： 破解拿破伦死亡之谜 破解牛顿死亡之谜 秦兵马俑“产地” 之谜 第一起使用中子活化分析侦破的案例 古老照片的复活：
1） 恐龙灭绝原因：
6500万年前小行星(高含 Ir(铱))或者彗星冲撞地球，在 空气中产生了大量碎片，地球上阳光大大减少，植物不能生长， 没有可吃的食物，动物的数量毁灭性减少，非常严重导致大多 数动物包括恐龙都灭绝了。
加速器中子源(Accelerator based nuclear reaction) 1. (p,n)中子源: 2. (d,n)中子源:
反应堆中子源(Nuclear reactor)
第一节 中子活化分析原理
中子活化分析是用中子辐照样品，使原子核
发生核反应，生成具有一定寿命的放射性核
素，然后对生成的放射性核素进行鉴别，从
我们在这一章里主要叙述仪器中子活化 分析，并附带介绍中子俘获瞬发射线活 化分析。
中子特性 （Neutron characteristic）
中子的基本性质（The basic property of neutron） Mass ---- >Mp , Mn=1.008665012 u Charge ---- zero ? 实验测得中子在电场中偏转 → (-1.5 ± 2.2) ×10-20 e Half life ---- 10.69 min n → 1H + e + ν(中微子) Decay energy ---- Emax = (782 ±13) keV
陨石
n 100 g/kg
2） 破解拿破伦死亡之谜
拿破伦 1821年5月5日死于流放的小岛上。
有许多猜测：胃癌 谋害 进入金字塔受惊而死等
1961年一位瑞士人给英国法医部门送去了一个写 有“不朽的拿破伦之发”的信封。拿破伦死后第2天整 容时取下的。中子活化分析分段测量发现头发中部 45cm范围内砷（As）含量高达1110-6 克，超出正常人 13倍。 推算砷中毒时间长达数月。 结论：拿破伦死于砒霜（As2O3)慢性中毒急性发作。
中子活化分析技术测定了世界上几个地方，相应于白垩系
/第三系（K/T）的界限内黏土层中铱（Ir)的含量比普通背景 值高出 30-160倍，认为铱是地外物质指示元素，提出了小行 星撞击地球的假设；后来在许多地方，包括我国在内也发现了 类似的结果，进一步支持了小行星撞击地球灾变学说。
地球表层 Ir
1g/kg (ppb)
中子活化分析就是根据获得样品的“核指纹”
特征，判别材料中含有的元素及其含量。
除了辐照样品的制备步骤外，中 子活化分析主要包括三个步骤：
一是将样品放在中子场中辐照
二是取出已辐照的样品，如有必要可对样 品进行放射化学元素分离； 三是进行放射性活度测量，然后进行数据 处理，按一定的标准化方法求出样品中元 素的浓度。
2 核分析特点
• 在近代科学的发展中，人们十分重视材料的研究和发展。 许多材料的重要的物理性能和化学性能与材料中的痕量杂 质元素、晶体的缺陷和微观结构有关。人们发展了许多物 理的和化学的分析方法，对元素成分、物质结构以及杂质 浓度体分布和表面层的形貌特征等进行测量和表征。这些 分析方法同样也适用其它领域。 • 核分析方法是其中的一种，它的出现和广泛的应用对传统 的化学的、物理的方法是一个挑战，具有高灵敏、快速和 不破坏样品等特点，有时，“非核莫属”，是一种不可替 代的特殊的分析技术。这是和平利用核科学和核技术的重 要方面。
与环境污染的关系等等。 另一个与环境污染有关的问题，就是煤烟或废水是如何扩散的？要想 得到这一问题的答案，也需要利用活化分析进行研究。例如，从工厂烟囱 排放雾状的硫酸钴，或者把溴化铵的溶液混入排水中，然后从各个取样点 采集尘埃或水样，放到反应堆中接受照射，便能获得放射性的钴-60和溴82，它们能够放出γ射线和β射线；再将它们与标准进行对照，以作定量
Spin ---- 1/2
中子源（Neutron source）
Slow neutron
0
1 keV
Medium neutron
0.5 MeV
Fast neutron
10 MeV
E<0.002 eV
E=1eV~100 eV Resonance neutron Elastic scattering
Cold neutron
E=0.025 eV
Nuclear reaction
Thermal neutron
E>0.5 eV Epithermal neutron
同位素中子源（Radioisotope）
Neutron yield units ： s-1 µ g-1 1. (alpha, n)中子源:
9Be
10Be
+ 4He
（ n , )中子活化分析步骤
1）样品 2）辐照 3）放射性测量 4）结果评价 2 中子束照射样品 活化 化学分离 3 测量样品放射性 射线能谱
1 样 品 稳定核素 构成
（ n , )
活化：稳定 核素吸收中 子变成放射 性的
射线谱仪
根据 射线能谱（能量和 强度）以及半衰期等分析，确定 样品中对应稳定核素 及其含量。
6）古老照片的复活：
19世纪初英国发明家塔尔博塔摄了几幅照片，
由于当时的照相技术原始，又年代久远，130年后， 已经破损不堪，模糊不清。
后来，有人将此照片拿到反应堆的中子流中
照射。中子使保存在潜像中的银活化了，稳定的 银-l07和银-l09，通过核转变成为放射性同位素银-l08和银-l10。当 照片从反应堆中取出时，立刻把它同现在的新照相底片接触。被活 化的银，发出β和γ辐射，照射在新照相底片上，实际上就把塔尔博 塔照片中的潜像转移到了新底片上。这样，古老的照片在放射自显 影技术的作用下，获得了新生。 许多原来以为无法挽救的古老照片，在相当大的程度上，就此复活 了。
此时，中子发生器，多道能谱分析器等供活 化分析用的仪器相继问世，使得活化分析成 为当时具有最高灵敏度的分析方法。
60年代初期出现了半导体探测器使分辨率提 高了好几十倍，锗探测器的应用使一次照射 便可同时测定四五十种元素，计算机的应用 更把活化分析推向一个新的领域。
第一章 中子活化分析
Neutron Activation Analysis（NAA） 中子活化分析是一种有效的核分析技术，在 微量和痕量元素分析中占有重要的地位。
气势恢宏的8000多秦兵马俑---深埋地下的“古代大军” 位于陕西临潼县秦始皇陵东侧，有“世界第八大奇迹”美称。 解谜方法：选取秦陵兵马俑样品83个,秦陵附近的黏土样 品20个,耀州瓷胎样品2个.将样品进行仪器中子活化分析
Leabharlann Baidu
(INAA),测定每个样品的32种元素含量.将所有样品的元素进
行模糊聚类分析。 基本结论：兵马俑的原料在秦陵附近的垆土层，烧制兵 马俑的窑址在土壤的产地附近。中国陶窑有就地取土的传统， 兵马俑也不例外。
3
核分析分类
3）核效应分析
1）活化分析
中子活化分析*
带电粒子活化分析* 2）离子束分析 卢瑟福背散射分析* 沟道技术分析* 核反应分析* 粒子诱发x荧光分析*
穆斯堡尔效应分析*
正电子淹灭技术* 扰动角关联 核磁共振 4）超灵敏质谱分析 *
活化分析技术的发展
19世纪末、20世纪初，法国物理学家贝克勒耳和居里夫妇发现了 放射性，居里夫妇提炼出放射性元素镭；英国科学家卢瑟福等人发 现了放射性衰变规律并建立了原子模型。这一切都为活化分析奠定 了理论基础。
5）第一起使用中子活化分析侦破的案例
1958年5月1日傍晚时分，16岁的小女孩加埃塔恩· 布查德在 一采煤厂遇害，尸检时，警探们发现，在女孩的指甲上缠绕着 一根头发，有25英寸长。 用中子活化分析技术（样品制成胶囊，放入原子核反应堆用 中子进行照射），检测重点嫌疑人约翰· 沃莱曼头上取下的头 发样本和死者的头发，以及现场发现的头发，测定硫、磷的比 例，发现死者的头发是2.02，约翰· 沃莱曼的头发和死者手上的 这根头发则分别是1.07和1.02，显然死者手上的这根头发不是 死者本人的，而非常接近约翰· 沃莱曼的头发。 约翰· 沃莱曼承认自己杀了埃塔恩。 中子活化分析非常灵敏，它可以检验出1英寸长的头发中的 14种元素。科学家认为100万人中，只有两人9种元素可能相同。 现代化技术帮助人们查清了隐藏在头发之中的“微量元素
自从1936年第一次用热中子活化分析元素以 来，由于反应堆和加速器技术、射线探测器 技术和核电子学技术，以及计算机技术的发 展，使中子活化分析术得到迅速发展。
从原先的放射化学分离中子活化分析发展到 如今的仪器中子活化分析，成为高灵敏度、 多元素、非 破坏性元素分析的可靠方法。
目前，慢中子和快中子活化分析，几乎能分析所有的核素；
分析的灵敏度为百万分之一（ppm） ， 甚至可达十亿分之一（
ppb）直至亿万分之一（ppt）；一次能同时分析40~50个核素； 可分析寿命非常短的放射性核素，甚至可以做中子俘获瞬发射线 活化分析；而且自动化分析的程度很高。
中子活化分析不仅是作为一种常规的元素定量分 析方法，已广泛用于广泛应用于环境科学、生物学、 医学、材料科学、冶金、半导体工业、地质、地球化 学、考古学刑庭侦查等许多领域；而且也是作为验证 其他分析方法可靠性的一种监测手段，在许多场合用 于对比测量。中子活化分析的发展虽已较为成熟，但 在进一步提高测量精确度和分析效率及提高分析灵敏 度和选择性方面，在改善辐照设备、谱仪和谱的分解 及计算机程序等方面仍有新的进展。
1932年英国物理学家查德威克发现了中子。这一发现引起了科学 家们的极大兴趣，他们用中子来研究各种反应。 1936年化学家海维希和列维进行了历史上第一次中子活化分析。 他们测定了氧化钆中的镝，定量分析的结果为10-3克/克。 1938年美国化学家西博格和利文格德用加速器氘束测定了纯铁中 的镓，进行了第一次带电粒子活化分析。 1942年建成了可提供比同位素中子源要高得多的通量的反应堆， 1948年出现了NaI 闪烁探测器，在此基础上雷第考脱等人于1951年 首次用反应堆进行热中子活化分析法。用活化分析能测定 ppm 以 至ppb Xe .
也就是说，通过照片本身的辐射作用，把它们自己展现出来了。
7）分析环境污染情况：
为了调查由工厂排出的煤烟或废水引起的公 害，也常常离不开使用活化分析。例如，对大气
中的微量尘埃取样，进行活化分析，就能获得很
多有关大气的情报。如尘埃中含有哪些元素？每 种元素的含量是多少。也可以查清城市废物焚烧
炉、各种锅炉、钢铁厂的冶炼电炉等不同污染源
核 分 析 技 术
1 什麽是核分析
核分析：利用核辐射粒子与物质的原子或原子核相互作用， 采用核物理实验技术获得可观测信息，分析研究物质材料成
分和结构的方法。
核粒子： 中子、 射线、 粒子、粒子、正电子、质子、 以及加速器出射的其它粒子。 相互作用：主要是电磁作用 ，以及核力作用。 核分析方法大量出现、发展和广泛应用起始于上世纪60年代。 加速器和反应堆等大型仪器设备从核物理实验专用设备“解 放”出来，有条件用于应用方面的研究。