Jak experimentovat? (Rentgenfluorescenní analýza)

Transkript

1 Stedoškolská odborná innost 2006/2007 obor 02 - fyzika Jak experimentovat? (Rentgenfluorescenní analýza) Autor: Tereza Kulatá Gymnázium Šternberk, Horní námstí Šternberk, 8. roník Konzultant: Miroslav Duda (Gymnázium Šternberk) Šternberk, 2007 Olomoucký kraj

2 Prohlašuji tímto, že jsem soutžní práci vypracovala samostatn pod vedením Mgr. Miroslava Dudy a veškerou použitou literaturu a další informaní zdroje vetn internetu jsem uvedla v seznamu literatury. Ve Šternberku dne

3 Abstrakt Tato práce si klade za cíl seznámit stedoškolské studenty s problematikou experimentování, s níž vtšinou nemají velké zkušenosti. Chce upozornit na to, že praktické pokusy by se ve výuce mly provozovat astji, protože mohou studenty motivovat k dalšímu studiu pírodních vd a pipravit je na jejich budoucí vdeckou innost. V textu jsou ve zkratce popsány jednotlivé kroky, které by u žádného experimentu nemly chybt, poté vždy následuje konkrétní postup pi przkumu materiál metodou rentgenfluorescenní analýzy, takže práce obsahuje i výsledky mých pokus provedených touto metodou. 2

4 Obsah 1. Úvod Jak experimentovat? 2.1 Stanovení cíle Rešerše Teoretická píprava Ionizující záení a rentgenfluorescenní analýza Podmínky konkrétního pracovišt Jevy ovlivující prbh pokusu Vlastní experiment a zpracování výsledk Závry vyplývající z experimentu Závr...24 Literatura...26 Pílohy

5 1. ÚVOD Jak experimentovat? Tuto otázku si pokládá každý stedoškolský student zajímající se o pírodní vdy, a už o fyziku, chemii i biologii. Vtšinou se mu však dostane jen teoretické odpovdi. Vypíše si píslušnou kapitolu z uebnice, kde se dozví, jak postupovat a které nástroje použít pi mení devného modelu kvádru pravítkem. Tady pro nj veškerá praktická vda koní. Te samozejm peháním, vtšina uitel se snaží do své výuky zavádt píklady z praxe, pokud to jde. Vybavení vtšiny škol však nevyhovuje požadavkm moderního zpsobu vyuování. Tak se stává, že v tzv. praktickém cviení z chemie i fyziky se eší poetní píklady, v horším pípad se probírá teorie. A když už jsou pístroje potebné k njakému pokusu k dispozici, ujme se jich radji uitel sám, než aby pišly k úrazu neobratným zacházením. Každý si dokáže pedstavit, jak na hladin plove korková deska, co se dje, když se houpeme na houpace, nebo že v zrcadle se vidíme obrácen. Proto pochopit Archimedv zákon, princip mechanického kmitání i zákon odrazu svtla není problém. Ale co taková akustika, kvantová fyzika, ionizující záení, jaderná fyzika i astrofyzika? Scházíme se snad nkdy v noci, abychom pozorovali hvzdy? Pamatuji si, že za dob Gabry a Málinky z knížek od Amálie Kutinové se to na gymnáziích dlalo. Chápu, že asi tžko mžeme pracovat s radioaktivními nuklidy, pro tedy alespo nepozorujeme oblohu? Nazpam se dá nauit spousta vcí. Ale nco jiného je vyzkoušet si to sám a na vlastní zodpovdnost. Pozorovat, jak pokus probíhá, pemýšlet nad tím, pro se vci djí práv takto, a ekat, jak to asi dopadne. To by byla motivace! Ale to je jen experiment sám o sob. Co však vede vdce k tomu, že se do nich vbec pouštjí? Co tím chtjí dokázat? Co všechno je poteba udlat pedem a co potom? To si vtšina z nás uvdomí až na vysoké škole. Ale kolik z nás se rozhodne studovat práv tuto nudnou vdu se spoustou pouek, které stejn nemají žádné praktické využití? Tedy alespo podle pedstav prmrného studenta stední školy. A v tom je práv ten problém. Dnes už nesedíme v tráv a nepozorujeme padající jablko, abychom objevili zákon gravitace. Dnes už je pro úspšný experiment poteba udlat mnohem víc. Na následujících stránkách se pokusím shrnout prbh celého experimentování, popsat jednotlivé kroky, které je teba udlat, abychom své bádání pivedli ke zdárnému konci. Tak si ostatní studenti budou moci udlat práv tu potebnou pedstavu o tom, co vda ve skutenosti obnáší. Jako model jsem si zvolila svou vlastní zkušenost s przkumem materiál metodou 4

6 rentgenfluorescenní analýzy. Navazuji na svou práci z loské stedoškolské odborné innosti, díky které jsem se seznámila s danou metodou a metodami jí píbuznými. Jelikož m práv rentgenfluorescenní analýza zaujala ze všech metod nejvíce, vnovala jsem se jí hloubji a nakonec se pokusila o nkteré vlastní experimenty, jejichž výsledky bych zde chtla uvést. A je tato práce motivací pro mladé zájemce o pírodní vdy a dkazem toho, že i malí lidé by dokázali velké vci, jen kdyby k tomu mli píležitost. 5

7 2. Jak experimentovat? 2.1 Stanovení cíle Jakmile nás zaujme njaký problém, chceme ho vyešit. A pokud to neudlal už nkdo ped námi, máme možnost to zkusit sami. Musíme si stanovit, co pesn chceme zkoumat, položit si njakou otázku a rozmyslet si, jakým zpsobem na ni nejlépe hledat odpov. Mli bychom mít pedstavu o tom, k jakému se dopracujeme výsledku, abychom na závr mohli porovnat, zda jsme skuten dospli k oekávanému cíli i nikoli. Jestliže pokus probhne podle pedpokladu, ovili jsme jím svou teorii. Pokud se skutenost liší od pedpokladu, jsou tu dv možnosti. Mohli jsme se nkde dopustit chyby, kterou se pokusíme odstranit. Pokud jsme si jisti, že k žádné chyb nedošlo, pokus mžeme zopakovat a dojdeme-li i nyní ke stejnému závru, znamená to, že jsme svou teorii vyvrátili a objevili nový poznatek. Úkolem experimentování je tedy ovovat si své teoretické poznatky. M zaujala metoda rentgenfluorescenní analýzy, a to pedevším proto, že pomocí ní lze zkoumat památky a také proto, že se týká ionizujícího záení, které se využívá i v medicín pi radioterapii. Rozhodla jsem se nejdíve vyzkoušet si, jak tato metoda funguje, a to tak, že použiju známé kalibraní standardy, dále prozkoumám vzorky pedmt, u nichž jsem si jistá jejich složením, a nakonec se pokusím stanovit složení neznámých pedmt, které mám k dispozici. Konkrétn m zajímalo složení mých kovových hodinek (mla jsem podezení, že by se mohlo jednat o stíbro) a prstenu. Mým cílem tedy bylo ovit si svj pedpoklad, že oba tyto pedmty budou stíbrné. 2.2 Rešerše Jakmile máme jasno v tom, co hodláme udlat, mli bychom si zjistit, eho v této oblasti bylo dosaženo ped námi. K tomu mžeme využít odborné publikace i internet. Jedná-li se o závažný vdecký problém, je tento krok velmi dležitý, nebo nemá smysl snažit se dopátrat nového poznatku, pokud by tento už byl objeven díve. Musíme si ujasnit, zda hledáme nco zcela nového nebo naopak chceme vyvrátit dívjší postuláty tímto novým 6

8 pokusem. V prvním pípad je teba se ujistit, zda naše bádání nebude zbytené, seznámit se co nejvíce s našimi pedchdci, kteí se zabývali tímtéž problémem, a se závry, ke kterým došli. To nám usnadní zaátky, protože už máme na co navazovat. Ve druhém pípad musíme dkladn prostudovat teorii, kterou hodláme popírat, abychom se nedopustili chyb z neznalosti. Já jsem mla v úmyslu zaprvé ovit si složení pedmt, které byly už prozkoumány pede mnou, ve druhém kroku potom provést svj vlastní experiment. Poté, co jsem se seznámila s metodou rentgenfluorescenní analýzy (viz dále), vyhledala jsem si informace potebné k provedení pokusu. Byly to pedevším tabulky uvádjící hodnoty fluorescenního záení jednotlivých prvk spolu s jejich protonovými ísly, dále osvdení o složení kalibraních standard, konkrétn mosazi a bronzu (viz Pílohy). Zde jsem se spolehla na uvedené hodnoty, které byly oveny nkolika nezávislými metodami - gravimetrie, elektrogravimetrie, AAS, OES - ICP, GD - MS, RFS, OES. Informovala jsem se také o materiálech, které jsem hodlala použít v první, zkušební ásti svého pokusu, o jejich stavu a pedchozím przkumu. Jednalo se o historické i souasné mince, bronzové a mosazné vzorky, mosazné klíe a umlou hmotu (konkrétn kryt mobilního telefonu). Dále jsem se poradila s odbornými pracovníky ohledn stavu pístroj, které jsem mla k dispozici. 2.3 Teoretická píprava Velice dležité je rozumt danému problému a metod, kterou budeme používat, jak jejím vlastnostem, výhodám, nevýhodám a využití, tak i konkrétním podmínkám, které ovlivní aplikaci této metody na našem pracovišti Ionizující záení a rentgenfluorescenní analýza Ionizující záení je obecn záení schopné vyvolat ionizaci prostedí, tzn. vznik kladného iontu odtržením jednoho nebo více elektron od atomu, nap. vzájemnými srážkami atom i molekul, nárazem urychlených ástic nebo foton. Toto záení vyvolává ionizaci prostedí bu pímo nebo prostednictvím produkt interakcí s látkou. 7

9 Ionizující záení má široké využití, a to zejména v poslední dob. Dležité je v lékaství v oboru radiologie, kde se využívají pístroje jako Leksellv gama nž nebo lineární urychlovae založené práv na vlastnostech ionizujícího záení. Mžeme uvést i prosté rentgenové snímky dležité v diagnostice. Pomocí tohoto záení lze také analyzovat materiál po chemické stránce, a to bez odbru vzork, ehož se využívá v przkumu památek. V této oblasti se asto zneužívá, napíklad íané ozaují porcelán z dynastie Ming, aby se dalším použitím metody termoluminiscence nedalo zjistit, ze kterého období skuten pochází. asto také povrchy sošek pokrývají keramikou z 15. století a pak celé sošky vydávají za produkty té doby. Ionizující záení mže také odhalit nepoctivost výrobc zlatých pedmt, kteí své výrobky žíhali amalgamem a pak nebylo znát, zda použili pi výrob všech zlaák urených k roztavení, i zda si njaké nechali pro sebe. Také každý lovk dostane za život uritou dávku tohoto záení v závislosti na prostedí, ve kterém se pohybuje, tzv. pírodním pozadí. Normální dávka je 3-4 msv za rok, pokud však napíklad létáme letadlem, radianí zátž je vtší, nebo ve vyšších vrstvách atmosféry je záení intenzívnjší. Tak napíklad za 600 letových hodin dostaneme ve výšce 10 km dávku 4 msv, zatímco ve výšce 12 km je to 7,5 msv. V letových výškách psobí na lovka neutrony a nabité ástice, níže pak protony, elektrony, na zemském povrchu jsou to miony. Dovolená dávka pro lovka, který pracuje se zvýšenou zátží tímto záením, je 50 msv za rok, najednou maximáln 20 msv. ( 1Gy 1J kg Dávka je množství energie absorbované v množství látky, má jednotku 1 gray 1, odpovídá absolutní energii 1 J na 1 kg). 1Sv 1J kg 1 je jednotka pro efektivní hodnotu energie absorbované v látce vynásobenou koeficienty dle biologického úinku: E.absorbovaná energie E in.energie, která vstoupila do látky E out energie, která vystoupila z látky E Ein Eout (2.1) 2 V dozimetrii se dále používala jednotka 1rad 10 gray. Zdroje ionizujícího záení mohou být pírodní i umlé. Mezi pírodní zdroje patí kosmické záení a pírodní radionuklidy, nap. 40 K, 226 Ra, 222 Rn, 238 U. Do atmosféry Zem vstupuje kosmické záení jako tok ástic s vysokou energií. Má pvod v galaktickém záení, slunením záení a záení radianích pás Zem. Skládá se z proton (85% ), jader helia (12,5% ), elektron a tžších jader prvk od Li po Fe. 8

10 V atmosfée probíhají reakce s atomovými jádry za vzniku proton, neutron, lehkých jader (deuterium, tritium) a foton. Radionuklidy mohou vznikat v tchto reakcích ( 14 C), nkteré vznikly ve vesmíru ( 238 U) a jsou stále pítomny na Zemi, jiné vznikají v pemnových adách ( 238 U 226 Ra 222 Rn). K umlým zdrojm ionizujícího záení patí rentgenky, umlé radionuklidy, urychlovae i jaderné reaktory. Zdrojem záení, ketré jsem využívala pi své práci byla rentgenka. Je to zaízení, v nmž jsou elektrony z katody urychlovány k teríku na anod, kde je jejich dopadem buzeno elektromagnetické záení. Existuje záení brzdné a charakteristické. Brzdné záení je využíváno nap. pi radiodiagnostických vyšeteních mnohem více než záení charakteristické. Brzdné záení má spojité spektrum (viz obr. 2.1) a vzniká pi zmn rychlosti pohybu elektronu v elektromagnetickém poli atom anody. Charakteristické rentgenové záení má árové spektrum a je emitováno pi pechodu elektronu v materiálu anody z excitovaného elektronového obalu atomu na nižší energetickou hladinu. Energie takto emitovaného fotonu je rovna rozdílu energií tchto hladin. Obr. 2.1: Charakteristické a brzdné rentgenové záení Práv toto charakteristické rentgenové záení je dležité pro mj experiment. Využívá se zde tzv. fotoefekt, který definoval v roce 1905 Albert Einstein. Záení vycházející z rentgenky dopadá na analyzovaný pedmt ve form fotonu. Tento foton vyrazí elektron z vnitní slupky elektronového obalu atomu, ovšem záení musí mít dostaten velkou frekvenci - frekvenci vyšší než tzv. mezní frekvence f 0, aby k tomu došlo. Na uvolnné místo se pemístí elektron z vnjší valenní vrstvy atomu, ten má vyšší energii, než ml elektron ve 9

11 vnitní slupce, a cestou svou energii tedy ztrácí. Uvolnná energie ve form záení, ili vyzáených foton, se detekuje na pístrojích. Obr. 2.2: Fotoefekt Energie, jak už bylo eeno, odpovídá rozdílu energií hladin v elektronovém obalu atomu, mezi kterými elektron pechází (tj. ten elektron, který má za úkol zaplnit uprázdnné místo ve vnitní slupce obalu). U každého prvku dochází k tmto pechodm mezi jinými hladinami v závislosti na protonovém ísle prvku. Podle H.G.M. Moseleyho platí vztah: Z b 2 E.energie odpovídající peskoku elektron mezi dvma hladinami K,b.konstanty Z.protonové íslo prvku E K (2.2) Obr. 2.3: Závislost energie nkterých ar charakteristického záení na protonovém ísle 10

12 M V M IV M III K 1 M II K 2 M I L III K 2 K 1 Obr. 2.4: Schéma hladin v elektronovém oblau atomu L II L I K Podle výše uvedeného vztahu (2.2) mezi uvolnnou energií a protonovým íslem prvku byly sestaveny tabulky hodnot pro konkrétní prvky, kterými jsem se pi analýze ídila. Jsou zde uvedeny mimo jiné energie K-prahu, K 1 a K 1 linií, L-absorpního prahu (LI, LII, LIII) a L-linií (L 1, L 1, L 1 ), které jsou pro analýzu nejvýznamnjší (viz Pílohy). V mém pípad však postaily jen nkteré K a L linky, ostatní jsem nebrala v úvahu. Dalším krokem je detekce této vyzáené energie. Ta probíhá tím zpsobem, že ástice záení, tedy foton vyzáený pi fotoefektu, dopadne na detektor a pedá mu ást své energie, popípad všechnu svou energii. Podle toho, jaké množství energie to je, se potom detektor zachová a vyšle signál do výstupního zaízení. Existuje mnoho zpsob detekce, já však uvedu pouze ty detektory, které picházely v úvahu pi mém pokusu. Byl to polovodiový detektor i scintilaní detektor. Scintilaní detektor je založen na tom, že když nkteré látky (tzv. scintilátory) pohltí kvanta ionizujícího záení, reagují na n svtelnými záblesky (scintilacemi). Ty se pak registrují elektronicky pomocí fotonásobi. Velikost výstupního impulsu je pímo úmrná energii dopadajícího záení. V rentgenových pístrojích se už od poátku využíval jako scintilátor ZnS(Ag) - sulfan zinenatý aktivovaný stíbrem. Pro detekci záení gama se používá NaI(Tl) - jodid sodný aktivovaný thaliem - ve form monokrystalu. Dále existují kapalné scintilátory, využívané pedevším k mení nízkoenergetického záení beta. Mená radioaktivní látka se musí pidat pímo do roztoku scintilátoru, nejprve pedá svou energii beta záení molekulám rozpouštdla, které ji teprve penáší ve form excitaní energie na molekuly vlastní scintilaní látky. Ty pak pi návratu do deexcitovaného stavu emitují fotony viditelného svtla, které jsou hledanými svtelnými záblesky. 11

13 Já jsem však používala druhý typ detektoru, detektor polovodiový. Ve srovnání se scintilaním detektorem má totiž lepší rozlišovací schopnost. Polovodiové detektory jsou založeny na krátkých impulsech elektrického proudu. Detektor je tvoen kemíkem nebo germaniem typu P nebo N, na kterém je vrstva polovodivého materiálu opaného typu. Když vložíme na detektor vysoké naptí a pipojíme záporný pól k materiálu P a kladný pól k materiálu N, dojde k tomu, že volné nosie náboje putují k píslušným elektrodám podle svého náboje. Tím se uvloní prostor PN pechodu, který obsahuje velmi malé množství ástic s nábojem, v tomto prostoru je vysoký odpor. Tato oblast je citlivá na ástice záení, které když do ní vniknou, vytvoí podél své dráhy ionizací pár elektron-díra. To se projeví krátkodobým zvýšením proudu a tento proudový impuls se pevede opt na napový. Dále rozlišujeme dva typy detektor podle toho, zda reagují na zachycenou energii záení i na jeho vlnovou délku. Prvním typem jsou energiov disperzní detektory (ED), druhým vlnov disperzní (WD). Vlnov disperzní detektory sice mají oproti energiov disperzním lepší rozlišovací schopnost, jsou však mén úinné. Nepoužívá se u nich radionuklidový zdroj, mžeme použít rentgenku. Dochází k tomu, že spektrum záení ze vzorku je rozloženo Braggovým krystalem (krystalové mížky fluoridu lithného LiF) a energie foton je urena úhlem, pod kterým Braggv krystal paprsek rozkládá. rentgenka vzorek Braggv krystal detektor Obr. 2.5: Princip vlnov disperzního detektoru mit detaily. Nevýhodou tohoto zaízení je nároné vyhodnocování kvli matricovému jevu, nelze Ješt bych mla dodat, že je teba detektor neustále chladit na teplotu kapalného dusíku ( 197 C ). V mém pípad šlo o chlazení pomocí Peltierova jevu. Nápl chladícího zaízení vydrží dva dny, což byla doba mého experimentování. 12

14 Nakonec je teba získané výsledky umt vyhodnotit. Výstupním zaízením je poíta s programem, který umí zpracovat informace získané z mících pístroj. Musela jsem se s tímto programem seznámit a umt se v nm orientovat. Nyní jsem vpodstat popsala celý princip rentgenfluorescenní analýzy. Pokud bych mla zhodnotit její využitelnost, mžeme ji použít pro analýzu prvkového složení látky, která obsahuje prvky s protonovým íslem vtším než 20. Prvky s nižším protonovým íslem mají tak nízkou energii vybuzených foton, že se nedostanou do detektoru. Pokud bychom ovšem pracovali v prostedí vakua, mohlo by být protonové íslo i nižší. Pro prvky H a He nelze tato metoda uplatnit vbec, a to proto, že u nich není možný pestup elektron do žádné nižší hladiny. Analyzovat organické materiály nemá smysl, protože všechny obsahují uhlík a vodík, a to asto v úpln stejném množství jako jiné, naprosto odlišné sloueniny. 2.4 Podmínky konkrétního pracovišt Poté, co jsme se obecn seznámili s metodou, kterou budeme používat, a s tím, jak fungují pístroje k tomu poebné, bychom se mli zorientovat na svém pracovišti a zjistit podmínky, za kterých svou práci budeme provádt. Mým pracovištm byla dozimetrická laborato na FJFI VUT. Nejprve jsem se seznámila s možnostmi využití rzných zdroj primárního záení. K dispozici jsem mla radionuklidy 55 Fe a 109 Cd. U tchto dvou radionuklid je velkou nevýhodou jejich životnost - poloas rozpadu železa je dva roky, kadmia pouze jeden rok. Po uplynutí této doby zstane jen jejich poloviní množství, takže záení je už natolik slabé, že není dostaující pro tento experiment. Pokud bychom použili jako zdroj primárního záení nkterý radionuklid, využili bychom k ozaování prstencový zái, který vypadá následovn: 13

15 ocelový prstenec berylium aktivní materiál (+wolframová slitina) (stíní ze smru, kam nechceme, aby se záení šíilo) Obr. 2.6: Prstencový zái Díky tomuto prstencovému záii je možno metodu rentgenfluorescenní analýzy uplatnit i v terénu, pedevším proto, že nepotebujeme píliš vysoké naptí a aparatura pak není objemná. Pokud se ovšem rozhodneme pro tento zpsob, nemžeme mit detaily, protože svazek paprsk záení je píliš široký a mže ozaovat jen vtší plochy. Tím pádem také intenzita záení je relativn nízká. Já jsem svj experiment provádla v laboratoi, takže objemnost zaízení, která je zapíinna zdrojem vysokého naptí, nebyla pekážkou. Také jsem hodlala mit velmi malé plochy (nap.prsten), a proto použití radionuklidového záie nepicházelo v úvahu. Proto jsem jako zdroj primárního záení použila rentgenku. Získala jsem dostaten úzký svazek, jehož prez byl konkrétn 1 mm 2 (i když lze dosáhnout i prezu o velikosti m). Tok proton dopadající na analyzovaný pedmt byl tedy dostaten intenzivní. Doba potebná k mení se pohybovala kolem 5-10 minut, protože za 1 sekundu se dalo zachytit nkolik desítek tisíc impuls. Naptí na zdroji mohlo dosáhnout hodnot 0-30 kv a proud A. Zdroj jsem mohla kdykoliv vypnout, což bylo vyhovující vzhledem k tomu, že jsem musela pracovat perušovan. Co se týe detektoru, používala jsem polovodiový detektor Si/Li, jehož výhodou je vysoká úinnost (pi 10 kv až 100 %), dobré rozlišení a také rychlost. Aparatura, kterou jsem používala, vypadala tedy takto: 14

16 Obr. 2.7 Schéma mící aparatury Úhly a jsou tzv. Braggovy úhly, úhly dopadu a odrazu paprsk, které se nevztahují k normále roviny, jako je tomu v optice, ale urují odklon paprsku od roviny, na kterou dopadají. Platí Braggv zákon pro difrakci na krystalových rovinách. Pi dopadu záení na krystalickou látku jsou paprsky rozptylovány jednotlivými atomy mížky podle vztahu: n 2d sin (2.3) n...celé íslo...vlnová délka primárních ástic d...mezirovinná vzdálenost...úhel rozptylu (Braggv úhel) V našem pípad platí 45. Fotony o energii v ádech jednotek kev vybudí záení v ádu desítek kev, což je energie z vhodného intervalu pro detekci. Mžeme definovat pojem absorpní práh i absorpní hrana, což je minimální energie potebná k tomu, aby probhl fotoefekt. Rozlišujeme K-absorpní práh a L-absorpní práh, energie K-prahu je vyšší, stejn tak energie K-linek je vyšší než L-linek. Na našem detektoru nelze mezi sebou rozlišit energii K 1 a K 2 linek, budou se prost souhrn oznaovat K linky. Pi experimentování budu sledovat pedevším K linky a L linky, i když existují i M linky, ale ty nebudu uvažovat, aby se tím mení píliš nekomplikovalo. 2.5 Jevy ovlivující prbh pokusu Žádný experiment nemže probhnout úpln hladce, vždycky je tu ada okolností, které jeho prbh ovlivují a se kterými musíme poítat. Je nutné se ped vlastním mením o tchto jevech informovat a uvdomovat si jejich vliv bhem celého mení. 15

17 Nejdležitjším nežádoucím faktorem, který ovlivuje mení v tomto pípad, je tzv. matricový jev. Je zpsoben tím, že obsahuje-li napíklad zkoumaný materiál vedle mdi, kterou se pokouším najít, také železo, dojde k tomu, že m vybudí železo, tím pádem zjistím menší množství mdi a vtší množství železa, než odpovídá skutenosti. Signál, který získám od zkoumaného prvku, tedy závisí nejen na jeho obsahu ve zkoumaném materiálu, ale také na obsahu ostatních prvk, které ho ovlivují. Pokud napíklad uvažujeme graf závislosti potu impuls od cínu na jeho množství v daném materiálu, prbh nebude lineární. Kivka se bude mnit oproti standardu v závislosti na tom, zda daný materiál obsahuje nap. vedle Sn také Sb, Fe, Pb nebo W. Další píinou matricového jevu je tzv. selektivní absorbce, což znamená, že nkterý materiál absorbuje záení více a lépe, jiný mén. Matricový jev tém nevykazují tenké vzorky, jako jsou teba ásteky prachu pi mení ovzduší. Já však nezkoumám tenký vzorek, takže matricový jev zde bude psobit. Konkrétní tlouška vzorku však nehraje roli, protože záení stejn pronikne jen do urité hloubky a pak už na tloušce nezáleží. Rentgenka naštstí nevysílá žádné doprovodné záení, které v jiných pípadech vzniká v dsledku nekoherentního, tzv. Comptonova rozptylu. Dále bude výsledky ovlivovat nehomogenita zkoumaného materiálu, a také nežádoucí psobení atmosféry, která zeslabuje signál a zvyšuje pozadí (což jsou nežádoucí signály získané v prbhu mení vlivem okolí). Musím si také uvdomit, že se sice zamím jen na energie K linek, pop. L linek, ale ve výstupním grafu se mohou objevit i píky odpovídající energiím M linek. Proto mení nebude stoprocentn pesné, ale pouze orientaní. Možná bych ješt mohla dodat, že pi tomto experimentu se jedná o ozaování vzorku fotony, u kterých, stejn jako u elektron, dojde k maximálnímu pedání energie v povrchové vrstv zkoumaného pedmtu. Lze však také ozaovat tžkými nabitými ásticemi, jejichž maximum energie je až na konci dráhy. Tyto lze využít napíklad v radioterapii, kde je poteba ozaovat tká uloženou hluboko v lidském tle. Pi použití urychlovae na protony (tzv. cyklotron) je dokonce možné posouvat maximum energie do libovolné hloubky. To jsou však už drahé záležitosti a v tomto pokusu pln postaí fotonové ozaování, protože staí zjistit složení povrchové vrstvy zkoumaného pedmtu. 16

18 2.6 Vlastní experiment a zpracování výsledk Pokud jsme hotovi se všemi pedchozími kroky, mžeme se konen pustit do vlastního experimentování. Nesmíme však pokus pouze spustit a ekat na výsledek, je teba prbh pokusu neustále sledovat a podle poteby zasáhnout. Pi zpracovávání výsledk je teba mít na pamti všechny faktory, které pokus mohly ovlivnit, abychom nakonec z experimentu vyvodili správné závry. V mém pípad byl postup práce následující: Zkoumaný pedmt jsem vložila pod ochranné sklo, které stailo k tomu, aby pohltilo záení, které nesmlo uniknout do místnosti. Pedmt, respektive ást pedmtu, kterou jsem chtla ozaovat, jsem nejprve zamila laserovým paprskem, a to tak, že dva rzné paprsky se musely na pedmtu pekrýt v témže bod. U pedmt, jako byly mince nebo kryt mobilu, nebylo tžké zamit paprsek na požadovanou plošku, i když je pravda, že jsem se musela vyhnout nerovnostem, tedy znakm vystupujícím z roviny mince, protože na takových místech by obsah jednotlivých prvk nemusel odpovídat jakési stední hodnot, výsledky by tedy byly zkreslené. Nejtžší bylo zamit hodinky, i dokonce prsten, které mly nepravidelný tvar a navíc plocha, kterou bylo možno zamit, byla velmi malá. Pak jsem sepla zdroj naptí a to jsem postupn zvýšila až na 30 kv, což bylo dovolené maximum. Proud procházející za daného naptí se musel pohybovat kolem 20 A (nekovové vzorky vyžadovaly proud 50 A). Nakonec jsem provedla mení a pomocí poítaového programu QXAS (Quantitative X-ray Analysis System) jsem zpracovala výsledky. Nejprve bylo nutné zmit vzorky známých prvk, konkrétn Ca a Br, a pomocí známých energií provést energetickou kalibraci. Pak jsem si ješt správnost kalibrace ovila zmením vzorku HgO a ukázalo se, že byla správná. Pokraovala jsem tedy dál, a to mením známých standard - ty vzork mosazi a ty vzork bronzu - abych si osvojila danou metodu a dovedla se v ní orientovat. Jak je známo, mosaz je slitina mdi se zinkem, piemž pevažuje m. Bronz je slitina mdi a cínu, popípad s pímsí dalších kov krom Zn a Ni. Nikl se ovšem ve výsledku vtšinou objevoval, ale to bylo zapíinno vlivem mících pístroj, které ho obsahovaly. 17

19 V mení mosazných pedmt jsem ješt pokraovala. Nejprve jsem analyzovala eskou dvacetikorunu, potom mosazný sted padesátikoruny. Zajímalo m, nakolik bylo mení pesné, proto jsem výsledek pevedla na procentuální zastoupení Cu a Zn ve slitin, které jsem mohla porovnat s hodnotami uvádnými eskou národní bankou. Orientovala jsem se podle pík, které odpovídaly energiím ar mdi a zinku podle tabulek, zjistila poet impuls získaných od daného prvku a tím i jeho zastoupení ve vzorku. Dále jsem pedpokládala, že pomr ploch pík Cu/Zn nebude odpovídat skutenému pomru jejich koncentrací, protože zinek bude ve slitin buzen s vtší úinností než m vlivem ostatních prvk. Plocha píku Zn tedy bude vzhledem k ploše píku Cu vtší, než by odpovídalo skutenosti. Proto pro náš výpoet zanedbáme vliv ostatních prvk: Cu X...známý pomr Cu/Zn (2.4) Zn Cu Y obsah Cu (2.5) Cu Zn Zn Z obsah Zn (2.6) Cu Zn 1 Zn Cu Y Cu Zn Cu X 100 Y...vztah pro výpoet obsahu mdi (2.7) 1 1 X 1 Cu Zn 1 Cu Zn Zn Zn 100 X 1 X Z...vztah pro výpoet obsahu zinku (2.8) 100 Následující tabulka porovnává získané informace s hodnotami deklarovanými eskou národní bankou a ukazuje, že mení bylo pomrn pesné: deklarované hodnoty namené hodnoty Cu Zn Cu Zn 50 K sted ,2 21,8 20 K ,2 22,8 Obr. 2.8: Složení souasných eských mincí 18

20 Ješt jsem také analyzovala mosazný klí, jehož složení jsem si však nemohla nikde ovit. Dalšími analyzovanými pedmty byly historické mince. Jednalo se o rakouskouherský plkrejcar z roku 1851 a krejcar z roku Zjistila jsem pítomnost mdi, železa, chloru a arzenu. Mince mají tém totžné složení. Pítomnost chloru byla zejm zpsobena uchováváním mincí v obalech. Jinak moje analýza více mén odpovídala pedchozí analýze tchto mincí, které jsou uchovávány v archivu FJFI VUT. Následující grafy ukazují výsledky mení. Obr. 2.9: Výsledky mení historických mincí 19

21 Obr. 2.10: Výsledek mení historických mincí Analyzovala jsem také stíbrnou minci z dob Marie Terezie. Dominantními prvky tam bylo stíbro a opt m. Dále jsem se zabývala analýzou plastikového krytu mobilu. Bylo v nm zjištno velké množství titanu. Pekvapilo m to, ale zjistila jsem, že titan ve from oxidu titaniitého se pidává k získání bílého zabarvení (kryt ml totiž bílou barvu). Dále jsem zjistila že práv titanová bloba hraje významnou roli pi przkumu památek, protože vedle ní existuje ješt zinková a olovná bloba a podle toho, o kterou z nich se jedná, se dají vyvodit závry o asovém pvodu a autorství umleckého díla. Z malíského hlediska je mezi nimi rozdíl napíklad v jejich krycí mohutnosti, barevném nádechu a vhodnosti použití v rzných malíských technikách. 20

22 Obr. 2.11: Spektrum plastikového krytu mobilu Ješt jsem si napíklad vyzkoušela analýzu kanceláského papíru, kde jsem objevila vápník, který se v technologii výroby papíru používá k jeho blení. Posledními analyzovanými pedmty byly mé vlastní hodinky a prsten. U obou jsem vzhledem k jejich poizovací cen pedpokládala, že budou stíbrné. U prstenu se opravdu potvrdilo, že se jedná o stíbro. V hodinkách se však žádné stíbro nevyskytovalo. V získaném spektru dominoval chrom a železo, z ehož jsem usoudila, že jde o pochromované železo nebo ocel, popípad o slitinu Fe a Cr. Dále jsem se zabývala výsledky získanými mením rzných bronzových vzork. Jejich složení bylo pomrn rznorodé a pro hlavní prvky jsem sestavila kalibraní kivky. Vtšina kivek mla pomrn hladký prbh, až na m. Dvodem bylo zejm to, že relativní obsah mdi v jednotlivých vzorcích zstával tém stejný, zatímco u ostatních prvk se mnil. 21

23 Obr. 2.12: Závislost plochy píku olova a jeho koncentrace Pi koneném zpracování výsledk jsem musela vhodn reagovat na danou situaci. Bylo poteba vždy nadefinovat prvky, jejichž pítomností v materiálu jsem si byla jistá. Pokud se ukázalo, že byly nadefinovány špatn a konený výsledek vbec neodpovídá oekávání, musely se prvky nadefinovat jinak, nkteré odstranit, jiné pidat, popípad zadat vedle K a K linek daného prvku také L linky. 2.7 Závry vyplývající z experimentu Nakonec se musíme zamyslet nad tím, jaký pínos náš experiment ml, zda se nám podailo dokázat, co jsme potebovali. A nejdležitjší ze všeho je, abychom byli schopni výsledky svého bádání prezentovat ped ostatními, ped kolegy z oboru i ped veejností. Musíme umt sdlit své myšlenky širokému spektru poslucha, což je asto velice obtížné. Ale bez tohoto posledního kroku by naše bádání nemlo vbec žádný smysl. Tak tedy, na zaátku jsem si stanovila za cíl seznámit se dopodrobna s metodou rentgenfluorescenní analýzy a nauit se ji používat. Na základ toho jsem si pak chtla ovit složení svých hodinek a prstenu. Zjistila jsem, že rentgenfluorescenní analýza má opravdu široké využití, pedevším v oblasti analýzy anorganických materiál, a to tém jakýchkoliv. Nejzajímavjší je její aplikace pi studiu historických památek. Existují také rzné zpsoby, jak ji aplikovat, a není vždy snadné zvolit správnou aparaturu, která bude pro daný przkum nejvhodnjší. 22

24 Co se týká složení dvou údajn stíbrných pedmt, u prstenu se o stíbro skuten jednalo, což m potšilo, nebo vím, že tento dárek ml opravdu vyšší hodnotu, zatímco hodinky stíbrné nebyly. Pro mne to znamená tolik, že nemají zdaleka takovou cenu, jakou jsem pedpokládala, takže jsem byla pi jejich poizování oklamána. Ale na druhé stran m nemusí tolik mrzet, když je poniím i ztratím. 23

25 3. Závr Doufám, že se mi touto prací podailo dokázat, že uitelé se nemusí obávat svit experimentování do rukou svých student. A to i v takovém pípad, kdy se jedná o opravdu drahé pístroje, jako je tomu teba u rentgenfluorescenní analýzy. Pokud student pedem získá dostatenou pedstavu o dané problematice a je mu náležit vysvtleno, o co se jedná, dokáže s pístroji manipulovat z velké ásti sám, sám také ruit za prbh pokusu a sám z nj vyvodit závry. Staí k tomu odborné vedení pouze formou teoretické pípravy a pípadného zodpovzení dotaz. Pak už se mže nechat na studentovi, a si sám vyeší problémy, které nastanou v prbhu pokusu, a si nad nimi sám láme hlavu a pochopí, jak je poteba pracovat na poli vdy. Odborná pomoc pedagoga pi tom mže být minimální. Pro studenta bude velkou motivací, pokud si bude sám moci vyzkoušet pístroje a uvidí, že je v jeho schopnosti vložena jakási dvra. Pokud tomu tak bude už od zaátku jeho vdecké kariéry, v budoucnu se nebude bát nezdaru a nebude zbyten pochybovat o vlastních schopnostech. Je pro nj dležité uvedomit si, že jeho úsudek má njakou cenu a že starší a zkušenjší kolegové jsou ochotni s ním o tomto názoru diskutovat, i když student teba nemá pravdu. V takovém pípad by se mu nemlo íkat, že se mýlí, a okamžit mu vysvtlit pro, ale jen mu napovdt, nechat ho nad vcí pemýšlet, v nejlepším pípad nechat ho ovit si pokusem a omylem, pro nemá pravdu. Takto by se podle mého názoru dalo rychle vychovat kvalitní, samostatn uvažující a jednající vdce. Pekážkou pro zavádní praktických experiment do výuky už na stedních školách jsou podle m dv vci. Za prvé nedostatek financí na poizování potebného vybavení laboratoí a odborných ueben. Tento problém by se možná dal v budoucnu vyešit spoluprací s Evropskou unií a získáváním dotací pro naše školství. Vzhledem k tomu, že eské školství je vedle jiných zemí pomrn kvalitní a má v zahranií dobrou povst, mohlo by se podait získat tuto podporu. Z vlastní zkušenosti vím, že odborná úrove výuky pedevším pírodních vd na stedních školách v západní Evrop, ale i v USA, není zdaleka tak vysoká jako u nás. Pesto jsou jejich školy lépe vybaveny díky lepšímu finannímu zabezpeení. Druhým problémem je podle m nedostatená hodinová dotace. Množství uiva, které je nutné zvládnout v daném školním roce (alespo co se týe gymnázií), nedovoluje plýtvat asem a vnovat nkteré hodiny praktickým ukázkám. Proto je jen zídka as provádt i takové experimenty, na které staí nynjší vybavení škol a které by studenti bez problém zvládali sami. 24

26 Jednoduchým ešením nedostateného vybavení by mohlo být poádání exkurzí na dostupná odborná pracovišt v okolí školy, kde by studenti byli seznamováni s vdeckým životem v praxi. To by ovšem opt vyžadovalo as, jednak ze strany tchto odborných pracoviš, jednak obtováním teba celého vyuovacího dne. Není však pochyb o tom, že pokud si student provede pokus sám, mnohem lépe pochopí danou problematiku a vše si lépe zapamatuje. A když už ne experiment na vlastní pst, chtlo by to alespo zhlédnout jeho demonstraci, kterou by provedl uitel, což by ušetilo spoustu asu. Proto doufám, že se v budoucnu podaí tyto zásadní problémy s experimentováním na stedních školách vyešit. Já sama jsem si mohla už dvakrát vyzkoušet, jak správn aplikovat rentgenfluorescenní analýzu pi výzkumu. Byla mi v práci ponechána potebná volnost, což m motivovalo natolik, že jsem mla snahu zorientovat se co nejlépe v této oblasti a podruhé už jsem experimenty provádla více mén samostatn. Sepsáním své loské práce Využití fyziky v archeologii a umní a následn této práce letošní jsem tedy rozšíila své znalosti o ionizujícím záení, rentgenfluorescenní analýze a metodách jí píbuzných natolik, že bych se s tímto základem chtla tomuto oboru vnovat i nadále. Krom toho byly ob práce pínosem i pro mnohé mé spolužáky, kteí uvažují o studiu archeologie, pomocných vd historických, restaurování umleckých památek, ale i medicíny. Petením mých prací se seznámili s touto problematikou, která se v celé ad tchto obor využívá. Navíc jsem jim k tomu mohla podat i osobní vysvtlení. Podkování Na závr bych chtla podkovat všem, kteí mi umožnili mé experimenty provést a sepsat tuto práci. Dkuji za odbornou pomoc Ing. Petru Pršovi, Fakult jaderné a fyzikáln inženýrské VUT, za finanní podporu Nadanímu fondu pro podporu teoretické fyziky a nadaci EZ a za konzultaci sepsané práce Mgr. Miroslavu Dudovi. 25

27 Literatura [1] Konený, J.: Radianí fyzika. eské Budjovice, Jihoeská univerzita v eských Budjovicích, Zdravotn sociální fakulta 2006 [2] kol. autor: Atomová absorpní spektrometrie II Kurz pro pokroilé. Brno, Spektroskopická spolenost Jana Marka Marci 2006 [3] Kopecká, I., Nejedlý, V.: Przkum historických materiál - Analytické metody pro restaurování a památkovou péi. Praha, Grada Publishing 2005 [4] Musílek, L.: Ionizující záení v archeometrii a djinách umní. In: Moderní smry ve fyzice. Praha, ARSCI S [5] echák, T.: Radionuklidová rentgenfluorescenní analýza. In: Moderní smry ve fyzice. Praha, ARSCI S [6] Slánský, B.: Technika malby I. Praha, Státní nakladatelství krásné literatury, hudby a umní 1953 [7] kol. autor: Encyklopedický slovník. Praha, Odeon 1993 [8] Bulín, R., Fartáková, H.: Využití radionuklidové rentgenfluorescenní analýzy pi studiu památek. In: Fyzikální týden - sborník píspvk. Praha, FJFI VUT S [9] Kulatá, T., Bandas, L., Ferda, Z.: Aplikace rentgenfluorescenní analýzy pi studiu památek. In: Fyzikální týden - sborník píspvk. Praha, FJFI VUT S [10] Kulatá, T.: Využití fyziky v archeologii a umní. Šternberk 2006 [11] [12] 26

28 P ílohy 27

29 Píloha 1: Energie fluorescenního záení a protonové íslo 28

30 Píloha 2: Složení kalibraních standard - mosaz 29

31 Píloha 3: Složení kalibraních standard - bronz 30