Кіріспе

Радиациялық химия – ядролық химияның бір бөлімі, ол иондаушы сәулеленудің заттарға тигізетін химиялық әсерлерін зерттейді. Бұл радиохимиядан едәуір өзгеше, себебі сәулелену арқылы химиялық өзгеріске ұшыраған материалда радиоактивтілік болуы міндетті емес. Мысалы, суды сутек газы мен сутек тотығына айналдыру.

Радиацияның материямен өзара әрекеттесуі

Иондаушы сәуле материя арқылы өтетін кезде, энергиясын сіңірушінің электрондарымен өзара әрекеттесу арқылы жұмсайды. Сәулелену мен сіңіретін заттар арасындағы өзара әрекеттесудің нәтижесінде атомнан немесе молекулалық байланыстан электрон алынып, радикалдар мен қозу тудыратын түрлер пайда болады. Радикалдар түрлері кейін бір-бірімен немесе айналасындағы басқа молекулалармен реакцияға түседі. Химиялық жүйені сәулелендіргеннен кейін байқалатын өзгерістерге радикалдар түрлерінің реакциялары жауапты. Зарядталған сәулелену түрлері (α және β бөлшектері) сіңіретін ортадағы электрондардың заряды мен зарядталған сәулелену бөлшегі арасындағы Кулон күштері арқылы өзара әрекеттеседі. Бұл өзара әрекеттесулер бөлшектің кинетикалық энергиясы жеткілікті деңгейде азайғанша, түсетін бөлшектің жолы бойымен үздіксіз жүреді. Зарядталмаған түрлер (γ фотондары, рентген сәулелері) әрбір фотон үшін бір рет оқиғаға ұшырайды, фотонның барлық энергиясын жұмсайды және бір атомнан электронның шығарылуына себеп болады. Жеткілікті энергиясы бар электрондар сіңіретін ортамен β сәулеленуіне ұқсас әрекеттеседі. Сәулеленудің әртүрлі түрлерін бір-бірінен ажырататын маңызды фактор – энергияның сызықтық берілуі (LET), яғни сәулеленудің сіңіруші арқылы өтетін қашықтыққа байланысты энергияны жоғалту жылдамдығы. Төмен LET түрлері әдетте аз массалы, фотондар немесе электрон массасы түрлері (β бөлшектері, позитрондар) және сіңіруші арқылы өздерінің жолында сирек өзара әрекеттеседі, нәтижесінде реактивті радикалдар түрлерінің оқшауланған аймақтары пайда болады. Жоғары LET түрлері, әдетте, бір электроннан ауыр, мысалы α бөлшектері, және энергияны жылдам жоғалтады, нәтижесінде бір-біріне жақын орналасқан иондану оқиғаларының кластері пайда болады. Осылайша, ауыр бөлшек бастапқы орнынан салыстырмалы түрде қысқа қашықтыққа илемелі болады. Сәулеленуден энергияны сіңіргеннен кейін реактивті түрлердің жоғары концентрациясы бар аймақтар «шпорлар» деп аталады. Төмен LET сәулеленуімен сәулеленген ортада шпорлар траектория бойына сиреп орналасқан және өзара әрекеттесе алмайды. Жоғары LET сәулеленуі кезінде шпорлар бірігіп, өзара реакцияларға мүмкіндік береді, бұл төмен LET сәулеленуінің бірдей энергиясымен сәулеленген ортамен салыстырғанда өнімдердің әртүрлі шығымына әкеледі.

Органикалық заттарды солваттанған электрондармен азайту

Соңғы уақыттағы жұмыс аумағы – уытты органикалық қосылыстарды сәулемен жою болып табылады; сәулеленгеннен кейін "диоксиндер" (полихлордибензо-п-диоксиндер) ПХБ-лер сияқты хлордан тазартылады, яғни ПХБ бифенилге және бейорганық хлоридке айналады. Бұл себебі, сольваттанған электрондар органикалық қосылыстармен реакцияласып, хлорид анионын жоғалту арқылы ыдырайтын радикал-анионды құрайды. Егер изопропанол немесе минералды майдағы ПХБ-ның оттегісіз қоспасы гамма-сәулелерімен сәулеленсе, онда ПХБ хлорсыздандырылып, бейорганық хлорид пен бифенил түзеді. Реакция изопропанолда калий гидроксиді (каустикалық калий) қосылғанда ең жақсы нәтиже береді. Негіз гидроксидиметилметил радикалын ацетонға және сольваттанған электронға айналдырады, нәтижесінде хлоридтің G-мәні (жүйеге түскен сәулеленудің берілген энергиясына шаққандағы өнімділік) артады, себебі сәулелену енді тізбекті реакцияны бастайды, гамма-сәулелерінің әсерінен түзілген әрбір сольваттанған электрон бірнеше ПХБ молекуласын түрлендіре алады. Егер қоспада оттегі, ацетон, азот оксиді, күкірт гексафториді немесе нитробензол болса, реакция жылдамдығы төмендейді. Бұл жұмыс АҚШ-та жақында жүргізілді, көбінесе пайдаланылған ядролық отын сәулелену көзі ретінде қолданылды. Арил хлоридтерін жою жұмыстарынан басқа, перхлорэтилен, фреон (1,1,2-трихлоро-1,2,2-трифторэтан) және галон 2402 (1,2-дибромо-1,1,2,2-тетрафторэтан) сияқты алифатикалық хлор және бром қосылыстары сілтілі изопропанол ерітінділеріне сәулелену әсерінен дегалогенденуі мүмкін екені көрсетілді. Бұл жағдайда да тізбекті реакция байқалды. Органикалық қосылыстарды сәулемен тотығу арқылы азайту жұмыстарынан басқа, органикалық қосылыстардың сәулемен окистенуіне қатысты да жұмыстар жарияланды. Мысалы, радиогенді сутек пероксиді (сәулелену арқылы түзілген) көмірден күкіртті алу үшін қолданылғаны туралы хабарланды. Бұл зерттеуде көмірге марганец диоксиді қосылуы күкіртті жою жылдамдығын арттыратыны анықталды. Судағы нитробензолдың тотығу және тотықсыздану жағдайларында ыдырауы туралы хабарланды.

Металл қоспаларын азайту

Солваттанған электрондардың органикалық қосылыстарды азайтуымен қатар, pH 4,1-дегі пертехнетат ерітіндісін сәулелендіру нәтижесінде техноций диоксидінің коллоидына айналуы хабарланды. pH 1,8-дегі ерітіндіні сәулелендіру ерігіш Tc(IV) кешендерін түзетіп шығарады. pH 2,7-дегі ерітіндіні сәулелендіру коллоид пен ерігіш Tc(IV) қосылыстарының қоспасын қалыптастырады. Гамма сәулелендіру темір оксиді (Fe2O3) бетіндегі алтын нанобөлшектерін синтездеу үшін қолданылған. Қорғасын қосылыстарының сулы ерітінділерін сәулелендіру элементтік қорғасынның түзілуіне алып келеді. Бентонит және натрий форматы сияқты бейорганикалық қатты заттардың болуы кезінде қорғасын сулы ерітіндіден алынып тасталады.

Полимерді өзгерту

Тағы бір маңызды сала полимерлерді өзгерту үшін радиациялық химияны пайдаланады. Сәулелену арқылы мономерлерді полимерлерге айналдыру, полимерлерді байланыстыру және полимер тізбектерін үзу мүмкін. Жасанды және табиғи полимерлерді (мысалы, көмірсуларды) осылай өңдеуге болады.

Су химиясы

Радиацияның биологиялық жүйелерге тигізетін зиянды әсері (қант ауруын және сәулелік жарақаттарды тудыру) және сәулелік терапияның пайдалы әсері судың радиациялық химиясымен байланысты. Биологиялық молекулалардың көп бөлігі сулы ортада кездеседі; су сәулеленген кезде энергияны сіңіріп алады, нәтижесінде еріген заттармен (электролиттермен) өзара әрекеттесе алатын химиялық белсенді түрлер пайда болады. Су иондалып, сольватталған электрон мен H2O+ ионын құрайды, H2O+ ионы сумен реакцияласып, гидратталған протонды (H3O+) және гидроксил радикалын (HO•) түзеді. Сонымен қатар, сольватталған электрон H2O+ ионымен бірігіп, судың қозу күйін қалыптастырады. Бұл қозу күйі гидроксил радикалдары (HO•), сутек атомдары (H•) және оттек атомдары (O•) сияқты түрлерге ыдырайды. Соңында, сольватталған электрон гидратталған протон немесе оттек молекулалары сияқты электролиттермен реакцияласып, сәйкесінше сутек атомдарын және диоксиген радикал-аниондарды құрайды. Оттектің сәулелену химиясын өзгертуі, оттегі бар тіндердің ісіктің ортасындағы оттегісіз тіндерге қарағанда сәулеленуге сезімтал болуының себебі болуы мүмкін. Гидроксил радикалы сияқты еркін радикалдар ДНК сияқты биомолекулаларды химиялық түрлендіріп, ДНК тізбегінің үзілуі сияқты зақымдануға әкеледі. Кейбір заттар судың сәулеленуінен пайда болған белсенді түрлермен реакцияласу арқылы сәулеленуден туындаған зақымданудан қорғай алады. Сәулеленуден пайда болатын белсенді түрлер келесі реакцияларға қатыса алатынын атап өту маңызды; бұл циклдік вольтамперометрияда байқалатын электрохимиялық оқиғадан кейінгі электрохимиялық емес реакцияларға ұқсас. Мысалы, сольватталған электрондар мен SF6 реакциясында пайда болған SF5 радикалы, фторсутек пен күкірт қышқылының түзілуіне әкелетін қосымша реакцияларға түседі. Суда гидроксил радикалдарының димеризациялық реакциясы сутек пероксидін, ал тұзды ортада гидроксил радикалдарының хлорид иондарымен реакциясы гипохлорит иондарын түзетін болады. Жер асты суларына сәулеленудің әсері сутектің пайда болуына себепші болады, ол бактериялармен метанға айналдырылады.

Өнеркәсіптік өңдеу жабдықтарында қолданылатын радиациялық химия

Материалдарды өңдеу үшін гамма көзін немесе электронды сәулені пайдалануға болады. Халықаралық IV типті (ылғалды сақтау) сәулелендіргіш – бұл кең таралған конструкция, оның JS6300 және JS6500 гамма стерилизаторлары ('Nordion International' компаниясы жасаған, бұрын 'Atomic Energy of Canada Ltd' деген атпен сауда жасаған) – оның әдеттегі мысалдары. Бұл сәуле шығару орналастыруларында сәуле шығару көзі қолданылмаған кезде сумен толтырылған терең шұңқырада сақталады. Көзге қажеттілік туғанда, ол болат сым арқылы өңделетін өнімдер орналасқан сәулелену бөлмесіне жылжытылады; бұл заттар автоматты механизммен бөлме ішінде жылжытылатын қораптарға салынады. Қораптарды бір нүктеден екінші нүктеге жылжыту арқылы олардың ішіндегілерге біркелкі доза беріледі. Өңдеуден кейін өнім автоматты механизммен бөлмеден шығарылады. Гамма сәулелерінің сыртқа шығуына жол бермеу үшін сәулелену бөлмесінің бетон қабырғалары өте қалың (шамамен 3 метр қалыңдықпен) болады. Көз 60Co таяқшаларынан тұрады, олар екі қабаттағы тот баспайтын болатқа мөрленген. Таяқшалар инертті үлгі таяқшаларымен біріктіріліп, жалпы белсенділігі шамамен 12,6 PBq (340 kCi) болатын тіреу құрылымын құрайды.

Зерттеу құралдары

Гамма сәулелендіруге арналған сәулелендіргішті пайдалану арқылы зерттеудің кейбір түрлерін жүргізуге болады, бірақ ғылымның кейбір салаларында материалды сәулелену импульсіне (әдетте LINAC-тан шыққан электрондарға) ұшырату арқылы уақыт бойынша шешілетін эксперименттерді қолдану кең таралған. Сәулелену импульсінен кейін материалдағы әртүрлі заттардың концентрациясы эмиссиялық немесе сіңіру спектроскопиясы арқылы өлшенеді, осылайша реакциялардың жылдамдығын анықтауға болады. Бұл, сәулеленудің еріткіш (көбінесе су) әсерінен пайда болатын реакциялық түрлермен заттардың өзара әрекеттесу қабілетін өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл тәжірибе импульстік радиолиз деп аталады, ол жылдам фотолизбен тығыз байланысты. Соңғы тәжірибеде үлгі спектроскопия арқылы қозу күйлерінің ыдырауын зерттеу үшін жарық импульсімен қозады; кейде жаңа қосылыстардың пайда болуын зерттеуге болады. Жылдам фотолиз эксперименттері галогендері бар қосылыстардың озон қабатына тигізетін әсерін жақсырақ түсінуге көмектесті.

Химиялық сенсор

SAW химиосенсоры иондық емес және спецификалық емес. Ол газ хроматографиялық бағанадан шығып, кристалл бетіне конденсацияланған әр химиялық қосылыстың жалпы массасын тікелей өлшейді, соның салдарынан кристаллдың негізгі акустикалық жиілігі өзгереді. Осы интегралдық типтегі детектормен иіс концентрациясы тікелей өлшенеді. Бағанадағы ағын SAW жиілігінің туындысын үздіксіз есептейтін микропроцессордан алынады.