Методи вимірювання хімічного складу речовини

Прогрес ракетно-космічної техніки дозволив здійснити бажання багатьох вчених провести безпосередні дослідження хімічного складу речовини місячної поверхні - «грунту» Місяця. При цьому стали можливі три види досліджень: 1) дослідження загальних, глобальних характеристик поверхні за допомогою приладів, розташованих на штучних супутниках Місяця; 2) безпосереднє вивчення складу Місяця за допомогою приладів, доставлених на її поверхню; 3) аналіз зразків місячного грунту, доставлених на Землю.

Що ж конкретно потрібно було вивчити? По-перше, потрібно було визначити хімічний склад речовини місячної поверхні і порівняти його зі складом Землі, метеоритів і Сонця. По-друге, треба було дослідити роль внутрішніх (виливання лави, рух кори) і зовнішніх (удари метеоритів, сонячне опромінення) процесів у створенні сучасного рельєфу місячної поверхні, і, звичайно ж, вчених перш за все цікавило, чи схожі за своїм складом місячні і земні породи.

Класифікація типів земних порід, згадана вище (див. 1-ю виноску), виходить з різного змісту в цих породах найбільш поширених хімічних елементів - кисню, натрію, магнію, алюмінію, кремнію, сірки, калію, кальцію, титану і заліза, які називаються основними породообразующими елементами (їх сумарний вміст в будь-яких земних породах досягає 99%).

Визначення концентрацій основних породоутворюючих елементів дозволяє однозначно віднести зразок до типу кам'яних метеоритів або до будь-якого типу земних гірських порід. Однак чи обов'язково для цього вимірювати концентрації всіх десяти перерахованих елементів? Адже зробити хімічний аналіз поверхні іншого небесного тіла - дуже складна науково-технічна задача. Чи не можна спростити її і звести число вимірюваних елементів до мінімально необхідного?

Для цього треба було з'ясувати, які ж хімічні елементи є найбільш «представницькими» в тому чи іншому типі породи. Як виявилося, в ряді випадків істотну інформацію може дати відношення концентрацій різних елементів, серед яких найбільш «представницькими» є магній, алюміній, калій, кальцій і залізо. Інші елементи представлені в місячних породах в значно менших кількостях.

Саме зміст цих елементів в місячному грунті і належало виміряти в першу чергу. Природно, що вибір методу вимірювань визначався вимогами, що їх диктують особливостями сучасного місячного космічного експерименту. На даному етапі такий метод повинен був забезпечити швидке і багаторазове отримання інформації при повній автоматизації всіх процесів аналізу, причому в- таких умовах, коли аналізована поверхню є абсолютно непідготовленою.

На Землі зазвичай процедура хімічного аналізу складається з декількох етапів. Початковий - підготовка зразка, який в залежності від методу аналізу або зважують і подрібнюють, або пресують в таблетку, а іноді шліфують або роблять тонкі зрізи. Ідентичність підготовки всіх зразків забезпечує можливість досягнення високої точності аналізів і є обов'язковою умовою аналізу в земних лабораторіях. Зовсім інша справа - аналіз грунту безпосередньо на Місяці: грунт нерівний, на поверхні видно грудки злиплих частинок, раз у раз трапляються камені самих різних розмірів (геологи називають це як «грунт в природному заляганні»). Тому треба було шукати метод, який не потребує підготовки зразків, і на його основі створити надійну і легку апаратуру з мінімальним енергоспоживанням.

Вимоги до цієї апаратури були дуже жорсткими. Вона повинна була переносити весь комплекс вібраційних і ударних навантажень в період старту ракети з Землі і в момент доставки приладу на поверхню Місяця, а також повинна працювати в умовах інтенсивного космічного опромінення, глибокого вакууму і різких температурних перепадів (від -150 ° С протягом двотижневої місячної ночі до + 130 ° С в денний період).

З огляду на всі ці вимоги, розглянемо тепер існуючі методи хімічного аналізу і обговоримо питання про можливість застосування того чи іншого методу при космічних експериментах безпосередньо на поверхні Місяця.

До класичних, «мокрим», хімічним методам відносять ті, в яких використовуються спеціальні аналітичні реакції: за результатами цих реакцій судять про наявність (в тому числі і кількості) або відсутності шуканого хімічного елемента. Іноді (при так званому ваговому аналізі) визначається елемент осідає у вигляді практично нерозчинного з'єднання (або простого речовини), відділяється від розчину (фільтруванням, промиванням, сушінням) і зважується, а потім по вазі осаду розраховується кількість шуканого елемента. Крім того, можна використовувати електроліз, коли визначається елемент під впливом постійного електричного струму виділяють при певних умовах на електроді. Об'ємний (титрометричним) аналіз заснований на застосуванні водного розчину з точно відомою концентрацією розчинних реактивів. Застосовуються також фізико-хімічні методи аналізу: колориметрия (зміна інтенсивності забарвлення кольорового з'єднання, одержуваного з аналітичної реакції), турбудіметрія, нефелометрія (зміна інтенсивності світла, що проходить через суспензію осаду, отриманого в результаті аналітичної реакції, або розсіяного їм), полярографічні і адсорбційні методи .

Очевидно, що для проведення аналізу грунту цими класичними методами безпосередньо на поверхні Місяця довелося б доставити туди цілу лабораторію з крихкими пробірками, колбами, мензурки, спиртівками, вагами і т. Д. На Землі кожен аналіз проводить кваліфікований хімік-аналітик протягом декількох годин, на Місяці всі операції повинен робити автомат, а вони практично не піддаються автоматизації. Тому класичні методи з самого початку виявилися непридатними для місячних досліджень.

Широке поширення як метод якісного і кількісного аналізу складу речовини в земних лабораторіях отримав спектральний оптичний аналіз. Цей метод підрозділяється на два види (в залежності від характеру використовуваних спектрів). Для аналізу спектральних ліній випромінювання, званих іноді емісійними, характерні наступні операції: 1) підготовка зразка до аналізу, 2) введення його в полум'я або вплив на нього електричним розрядом (для перекладу в газоподібний стан і порушення світіння з появою необхідних для аналізу спектральних ліній) , 3) визначення спектру і розшифровка відповідних ліній. При цьому зазвичай застосовують газове полум'я, що дає температуру до 3000 ° С. Для іншого виду спектрального аналізу - по лініях поглинання - користуються спектрографами зі спеціальними освітлювальними системами і приймачами, причому об'єктом безпосереднього дослідження служать розчини.

Уже з перерахованого ясно, що обидва ці види не задовольняють вимогам до космічних експериментів, так як вимагають значного енергоспоживання і не піддаються автоматизації. Крім того, оптичні спектри дуже складні при розшифровці, а їх передача безпосередньо на Землю або зберігання на борту космічного апарату дуже скрутні.

Використовується на Землі і метод мас-спектрометричного аналізу, в результаті якого вимірюють маси іонізованих атомів і молекул за допомогою поділу іонів (з різним ставленням маси до заряду) в електричному та магнітному полях. Мас-спектрометричний метод є найбільш повним і точним. До того ж він є найпряміший метод хімічного аналізу речовини. У разі прийнятного рішення проблеми перекладу атомів грунту в іонізованних стан і створення досить компактної апаратури застосування мас-спектрометричного аналізу було б вельми перспективним при дослідженні грунту на поверхні Місяця. Мабуть, саме метод мас-спектрометричного аналізу буде використовуватися на наступних етапах освоєння Місяця, коли стане можливим, з одного боку, посилати прилади більшої ваги, споживають велику потужність, з іншого - буде досягнуто суттєвого прогресу в створенні точних мас-спектрометрів.

Використання радіоактивності покладено в основу методу хімічного аналізу, званого активаційним. При цьому використовуються ядерні реакції, в результаті яких атоми досліджуваного зразка стають радіоактивними, і за характеристиками їх розпаду (період напіврозпаду, тип радіоактивного випромінювання і його спектр) здійснюється ідентифікація елементів, присутніх в зразку. В якості первинних часток, що викликають необхідну реакцію, вживаються нейтрони, а також (іноді) гамма-випромінювання і заряджені частинки (такі, як протони і дейтрони). Як джерела нейтронів застосовуються реактори, прискорювачі різних типів і радіоактивні джерела (останні, проте, дають невеличкий потічок нейтронів). Детекторами в цьому методі хімічного аналізу служать лічильники заряджених частинок. Хоча активаційний аналіз зарекомендував себе як точний і швидкий метод хімічного аналізу в промислових і лабораторних умовах, його застосування в космічних експериментах вимагає вирішення проблеми створення надійно працюючого нейтронного джерела великої інтенсивності, а також подолання труднощів при передачі і обробці складних спектрів ядерних випромінювань.

Перейдемо тепер до методу рентгенівського спектрометричного аналізу хімічного складу і розглянемо один з перспективних його напрямів - так званий «радіоізотопний флуоресцентний аналіз».

Якщо взяти радіоактивний джерело і з його допомогою опромінити яку-небудь речовину (рис. 1), то під впливом зовнішнього випромінювання відбудеться перебудова зовнішніх оболонок атомів. Спочатку атоми перейдуть у збуджений стан, що характеризується надлишком їх енергії, але оскільки такий стан нестійкий, то через частки секунди атоми звільняться від надлишкової енергії, випустивши кванти рентгенівського випромінювання. Це явище називається флуоресценцією.

Мал. 1. Принцип роботи приладу, заснованого на методі рентгенівського флуоресцентного аналізу: 1 - панелі з радіоактивними джерелами; 2 - досліджуваний грунт; 3 - блок детекторів флуоресцентного випромінювання

Примітно, що енергія кванта для даного виду атомів строго постійна: різні атоми випускають рентгенівські кванти різної, але характерною для них енергії. Наприклад, енергія цих рентгенівських квантів для алюмінію близько 1,5 кеВ, кремнію - 1,7 кеВ, калію - 3,3 кеВ, кальцію - 3,7 кеВ, заліза - 6,4 кеВ. Таким чином, визначивши енергію квантів, можна дізнатися, які атоми містяться в досліджуваному речовині, а по інтенсивності випромінювання цієї енергії - визначення кількості атомів в даній речовині.

Для підрахунку рентгенівських квантів і одночасно вимірювання їх енергії використовуються спеціальні детектори - пропорційні лічильники. Що потрапив в такий детектор рентгенівський квант викликає іонізацію газу, яким наповнений лічильник, і під дією високої напруги, прикладеного до лічильника, в ньому виникає електричний імпульс. Якщо правильно підібрати величину високої напруги, а також тиск і сорт газу, розміри детектора, то амплітуда електричного імпульсу буде пропорційна енергії рентгенівського кванта (звідси і назва цього детектора).

Сукупність електричних імпульсів дозволяє отримати спектр випромінювання досліджуваного речовини (рис. 2). На цьому малюнку ми бачимо кілька «горбів» - це і є спектральні «лінії» випромінювання. Спектральні лінії теоретично повинні бути дуже вузькими, але через специфічність даних детекторів вони стають «розмитими», хоча становище максимумів ліній не змінюється і відповідає теоретичним значенням.

Мал. 2. Приклад спектра флуоресцентного випромінювання, отриманого при лабораторних дослідженнях у вакуумній камері

«Розумієте» ліній ускладнює їх аналіз: за допомогою пропорційних лічильників не можна визначити окремо інтенсивність двох близьких по енергіях ліній, оскільки вони зливаються в одну. Алюміній і кремній (а також магній) дають одну загальну «лінію» в спектрі гірської породи, калій разом з кальцієм утворюють іншу «лінію». Третя «лінія» на цьому малюнку належить залозу. Різниця в енергіях між цими трьома «лініями» досить велика, так що вони досить легко розрізняються. Таким чином, отриманий спектр дає можливість отримати певну інформацію при використанні рентгено-флуоресцентного методу.

Яким же чином визначається інтенсивність реальних спектральних ліній окремих елементів? Тут на допомогу приходить так званий «метод фільтрів». Справа в тому, що поглинання рентгенівського випромінювання в будь-якому речовині залежить від енергії цього випромінювання досить складним чином: поряд з плавною залежністю існують і різкі перепади - скачки. Отже, взаємодія рентгенівських квантів, незначно відрізняються за енергією, з якою-небудь речовиною може вельми відрізнятися для кожного з цих квантів. А це призводить до того, що сильно відрізняється і ймовірність проходження цих квантів крізь речовину. Наприклад, якщо на шляху рентгенівських квантів, відповідних флуоресцентного випромінювання алюмінію і кремнію, поставити алюмінієву фольгу товщиною 10 мкм, то вона пропустить 44% випромінювання алюмінію і лише 0,008% випромінювання кремнію. Таким чином, пропускаючи лінію алюмінію в 5500 разів краще, ніж лінію кремнію, така фольга буде «фільтрувати» рентгенівське випромінювання. Схематично це зображено на рис. 3.

Мал. 3. Принцип дії характеристичного фільтра, застосовуваного для поділу ліній елементів, що мають близькі за значенням енергії флуоресцентного випромінювання

Можна підібрати фільтри для пар різних елементів: алюміній + кремній, калій + кальцій і т. Д. Оскільки при подібній «фільтрації» інтенсивність однієї з ліній значно ослаблена (причому заздалегідь відома ступінь ослаблення), то порівняння спектрів випромінювання досліджуваного зразка, отриманих з фільтрами і без фільтрів, дозволяє окремо визначити інтенсивності всіх нерозділені ліній.

Важливо відзначити, що на основі рентгенівського ізотопного флуоресцентного методу можна створити досить просту апаратуру для проведення хімічного аналізу речовини в космічних умовах, що задовольняє всім поставленим вище вимогам. Радіоактивні джерела, необхідні для опромінення грунту, абсолютно надійні в роботі, вони не вимагають настройки, налагодження і не потребують електричної енергії. Пропорційні лічильники, які реєструють рентгенівське випромінювання грунту, компактні і легкі. Інформацію легко перевести в електричні величини - амплітуди імпульсів, що дуже зручно для передачі по лініях космічної радіозв'язку. Нарешті, досліджувані рентгенівські спектри досить прості (в них всього декілька ліній) в порівнянні з оптичними. До теперішнього часу в дослідженнях хімічного складу грунту, проведених безпосередньо на поверхні Місяця, застосовувалися тільки два з перерахованих методів. Рентгенівський флуоресцентний метод аналізу, запропонований колективом радянських вчених, з успіхом був застосований при роботі автоматичних самохідних апаратів «Луноход-1 і -2». Американські вчені на станціях «Сервейер-5, -6 і -7» використовували метод «назад розсіяних альфа-частинок» (докладний опис якого буде дано нижче), але згодом вже на марсіанських станціях «Вікінг-1 і -2» вони теж застосували рентгенівський флуоресцентний метод.