Нейтроны ищут убийцу, или Рекорды активационного анализа
НЕЙТРОНЫ ИЩУТ УБИЙЦУ,
или Рекорды активционного анализа
Кандидат физико-математических наук
А. С. ШТЕЙНБЕРГ
Название этой статьи подсказано детективным сюжетом, с которым терпельный читатель познакомится в самомее конце. А пока займется вещеми весыма далеки от криминалистики и поговорим о том, как можно определить химический состав вещества, т. е. узнать, какие элементы и в какой пропорции присутствуют в образце.
Из курса химии вы знаете, что это можно сделать с помощью характераных для веществ и элементов химических реакций, методами так называемой «мокрой химии». Оdnako в некоторых случаях применение этих методов встречает с серbezными трудностиями. Например, когда требуется произвести химический анализ очень мелкого по размерам образца; когда необходимо исключително высокая точность анализа многох элементов одновременно. Например, может потребовать выявить один «инородный» atom среди миллиона или 100 миллионов других и определить, какого он сорта.
А также ситuation отпюд не умозрительные. Они, в частности, возникют в современной технологически полупроводников. Все чаще и чаще говорят, что вслед за каменным веком, бронзовым и железным наступил век
45
кремния. Кремний составляет основу минитаорийных интерральных схем, без которых невозможна сегодня электронка. А их свойства резко зависит даже от невероятно малых содержаний примесей. Без умения определять состав мелких образцов кремния с очень высокой точностью невозможен прогресс в разработке новых поколеней компьютеров.
Как же поступают в таких случаях?
Уже примерно 100 лет известно, что самыми эффективными методами химического анализа часто оказываются физические методы. И среди них настоящим рекордсменом почевствительности является нейтронный активционный анализ (НАА). Чтобы объяснить его принципи, мы вначале напомним, как устройство атомное ядро.
Атомное ядро состоит из положительного заряженных протонов и электрических нейтронов. Количество протонов определяет заряд ядра и служит его главной характеристикой. Одини элементы отличаются от других прежде всего количество протонов в ядре. У первого элемента таблицы Менделеева — водорода (Н) — в ядре один протон, у второго — гелия (Не) — два и т. д. Ну, а сколько в ядре нейтронов? Оказывается, в ядрах одного и того же элемента может содержаться разное число нейтронов. Ядра с одинаковым количеством протонов, но разным количеством нейтронов называются изотопами.
Поясним сказанное примером. В ядре геляя всегда два протона. А нейтрон может быть 1, 2, 4 или 6, т. е. имеется четыре изотопа He — He, He, He, He (индекс указывает суммарное число протонов и нейтронов). Рекордное число изотопов — 10 — имеет олово, 9 изотопов у ксенона, 8 — у кадмия и теллура и т. д. В природаные изотопы распространены неравномерно. Как правило, львиную долю (90 % и более) всех природных запасов элемента составляет одинаковистенный изотоп.
Химические свойства изотопов совпадают. А вот физические могут отличаться и очень заметно. Например, за счет «лишних» нейтронов atomные веса разных изотопов элемента различны. Но главное для нас это. Большая группа изотопов обладает удивительным свойством — радиоактивностью. Они являются источниками излучения, которое нельзя увидеть или почувствовать, но которое можно зарегистрировать с помощью специальных прибора — детекторов излучения. Самые простые из них — фотопластика и счетчик Гейгера. Мы не будем углубляться в вопрос о природа излучения. Он сложен и выходит за рамки этой статьи. Но для наглудности вы можете представить себе излучение как поток невидимых частиц.
Излучение каждого радиоактивного изотопа в высшей степени специфицино. Это — его индивидаальный портрет, неповторимый, как отпечатки пальцев человека. Самыми характерными штрихами в этом портрете является энергия излучения (для нас — энергия частиц) и период полураспада.
Что такое период полураспада, объяснить сравнительно несколько. С помощью детектора можно не только зарегистрировать излучение, но и измерить его интенсивность, т. е. определить, сколько частиц падает на единицу площади в единицу времени. Чем больше интенсивность, тем выше окажется степень поеренения физической энергии. Тем чаще будет целкать счетчик Гейгера и т. д. Перiodом
46
Пис. 1.
полураспада изотопа (обозначается ) называется время, за которое интенсивность его излучения ослабевет вдвое. За это время половина первоначального радиоактивных ядер превращается в нерадиоактивные (как говорят, стабильные). Периоды полураспада у разных изотопов различны — от долей секунды до миллионов лет. Специальные детекторы не просто измеряют интенсивность излучения, но и строй его спектр — график зависимости интенсивности излучения от его энергии. Пример такого спектра приведен на рисунке 1. Резкие «всплески» интенсивности их называют линяями спектра — соответствуют излучениям разных изотопов. Каждый линio с помощью заранее составленных таблиц легко связать со «свойм» изотопом (именно так и «распознали» изотопы, указываны на рисунке).
Построение спектра излучения, таким образом, решает задачу качественного химического анализа образца, т. е. позволяет определить, из каких радиоактивных элементов он состоит.
To, что мы до сих пор рассказыли, должны было убедить вас, дорогие читатели, в одном: если бы образцы состояния из радиоактивных изотопов, то определить их качественный состав по спектрам было бы сравнительно несложно. Но вот беда — «нормальные» образцы состоянии из природных нерадиоактивных изотопов. Поэтому для проведения анализа их надо активировать, т. е. сделать радиоактивными. Существуют разные способы активизации. Проще всего — «обstreлять» образец в реакторе нейтранами. Они электрические нейтралы, могут позволить в положительной заряжению ядро, и нерадиоактивный
Рис. 2.
47
(стабильный) изотоп может стать радиоактивным.
По спектрам излучения можно провести не только качественный анализ, но и количественный — узнать, сколько атомов того или иного изотопа присутствуют в образце. Дело в том, что интенсивность излучения изотопа прямо пропорциональна количеству его ядер. Имея эталоны (т. е. образцы с заранее известным содержанием анализируемого элемента), можно, активировав их, построить график этой зависимости. А измеряя интенсивность излучения данного изотопа в исследуемом образце, который активировался вместе с эталоном, легко по графику определять содержание этого изотопа. (После того, что мы говорили про период полураспада, вам должны быть понятно, почему активция образца и эталона и изменение их спектров производятся одновременно. Если это условие не выполняется, то для определения количества изотопа по эталонному графику необходимо делать поправки на период полураспада.)
Описанный нами метод качественного и количественного анализа и называют нейтронным активционным анализом — HAA.
В таблице приведен список элементов, содержание которых в кремнии очень важно знать. Там указаны природные (стабильные) изотопы, детекторные радиоактивные изотопы с свойствами приодами полураспада и чувствительность HAA для них (т. е. минимальная концентрация, при которой элемент может быть обнаружен). В 1 см³ кремния содержится примерно 10²³ атомов, так что вы сами можете убедиться в рекордных возможностях HAA.
На рисунке 2 приведены полученные методом HAA данные по содержанию примесей в кремнии у трех различных американских фирм, поставляющих этот материал в электронную промышленность. Сравнительно высокие концентрации некоторых элементов, в частности железа и хрома, требуют проведения дополнительной очистки кремния перед приготовлением интегральных схем.
А иначе… — комьютер не заслужит вашего доверия.
И в заключение — обещанный детекторный сюжет.
13 мая 1958 года в канадском городке Эдмундstone, расположенном около канадо-американской границы, был обнаружен трип 16-летней девушки Газтанны Бушар. Подозрения, на основании косвенных улык, палии на американца Джона Фоллмена, который часто признал по делам в Эдмундстон. Тот, однако, категорически отрицал свою причастность к представлению. Следствие остро нуждаюсь в прямых доказательствах.
Тщательный осмотр труда Бушар установил, что в руке девушки остался зажатым едиистенным волосок. Он