Elementanalyse

Nuklearmethoden Strahlung ausgesendet nach Neutroneinfang und die entsprechenden Nuklearmethoden, die bei der chemischen Analyse eingesetz werden. X bezeichnet das Element, A ist die Massenzahl und Z die Ordnungszahl.

Strahlung ausgesendet nach Neutroneinfang und die entsprechenden Nuklearmethoden, die bei der chemischen Analyse eingesetz werden. X bezeichnet das Element, A ist die Massenzahl und Z die Ordnungszahl.

Die qualitative und quantitative Analyse der elementaren Zusammensetzung (Konzentrationen) ist einer der wichtigsten Schritte zur Charakterisierung einer Probe. Ansatzpunkt für jede Elementanalyse ist die Tatsache, dass die chemischen Elemente durch ihre Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern) und somit im ungeladenen Zustand auch durch die Anzahl der Elektronen in der Hülle festgelegt sind. Man kann spezifische Strahlung zur Elementbestimmung entweder durch Anregung der Elektronenhülle oder des Atomkerns induzieren.

Für die am MLZ eingesetzen Aktivierungsanalyse-Methoden werden die Kerne mit Neutronen angeregt. Diese eignen sich aufgrund ihrer fehlenden elektrischen Ladung besonders gut hierfür – es gibt es zahlreiche nukleare Reaktionen, deren charakteristische Strahlung für die Elementbestimmung genutzt werden kann.

Prinzipiell reagieren Neutronen aus jedem Energiebereich mit dem Kern, wobei der Wirkungsquerschnitt kalter Neutronen jedoch am größten ist.Immer, wenn ein langsames (also ein kaltes oder thermisches) Neutron eingefangen wird, entsteht ein kurzlebiger Compoundkern, welcher sich innerhalb von etwa 10^-14 s unter Aussendung prompter Gammastrahlung abregt.

Prompte Gamma-Aktivierungsanalyse (PGAA) basiert auf der Messung dieser Strahlung. Vornehmlich leichte Elemente können dabei zusätzlich Teilchen mit Ladung emittieren (Protonen oder Alphateilchen). Die Messung dieser Teilchen ist übrigens Grundlage für die Tiefenprofilanalyse (engl. neutron depth profiling, NDP), wobei der Energieverlust bestimmt wird, welcher abhängig von der Emissions-Tiefe ist. Bestimmte Kerne erreichen danach direkt ihren Grundzustand, andere sind noch immer angeregt, d.h. radioaktiv. In diesem Fall wird er nach einiger Zeit u.a. ein ß-Teilchen aussenden, welches nachgewiesen werden kann. Für einige Elemente/ Nuklide ist manchmal die Messung der (leider kein Linienspektrum erzeugenden) ß-Strahlung der einzige Weg für eine hinreichend empfindliche Analyse.

Prominentestes Beispiel ist in diesem Zusammenhang die Phosphorbestimmung – am MLZ befindet sich eine entsprechend optimierte Analysemethode in der Entwicklung. In vielen anderen Fällen folgt nach dem ß-Zerfall der Ausstoß von verzögerter Gammastrahlung. Auf deren Nachweis begründet sich eine klassische analytische Methode – die sogenannte Neutronaktivierungsanalyse (NAA).