Введение
Радиационная химия – это раздел ядерной химии, изучающий химические эффекты ионизирующего излучения на вещество. Это существенно отличается от радиохимии, так как для химических изменений, вызванных излучением, не требуется присутствие радиоактивности в материале. Примером может служить превращение воды в газообразный водород и перекись водорода.
Взаимодействие излучения с материей
По мере того, как ионизирующее излучение проходит через вещество, его энергия откладывается в результате взаимодействий с электронами поглотителя. Результатом взаимодействия между излучением и поглощающим веществом является удаление электрона из атома или молекулярной связи с образованием радикалов и возбужденных частиц. Радикальные частицы затем вступают в реакции друг с другом или с другими молекулами в их окрестности. Именно реакции радикальных частиц ответственны за изменения, наблюдаемые после облучения химической системы. Заряженные частицы излучения (α и β частицы) взаимодействуют посредством кулоновских сил между зарядами электронов в поглощающей среде и заряженной частицей излучения. Эти взаимодействия происходят непрерывно вдоль траектории падающей частицы до тех пор, пока кинетическая энергия частицы не уменьшится до достаточной степени. Не заряженные частицы (γ фотоны, рентгеновские лучи) претерпевают одно событие на фотон, полностью поглощая энергию фотона и приводя к выбиванию электрона из одного атома. Электроны с достаточной энергией взаимодействуют с поглощающей средой аналогично β-излучению. Важным фактором, отличающим различные типы излучения друг от друга, является линейный перенос энергии (LET), который представляет собой скорость потери энергии излучением на единицу пройденного расстояния в поглотителе. Частицы с низким LET обычно имеют малую массу, либо являются фотонами, либо частицами с электронной массой (β частицы, позитроны), и взаимодействуют редко вдоль своей траектории в поглотителе, приводя к образованию изолированных областей реакционноспособных радикальных частиц. Частицы с высоким LET обычно имеют массу, превышающую массу одного электрона, например, α частицы, и быстро теряют энергию, что приводит к образованию кластера ионизационных событий в непосредственной близости друг от друга. Следовательно, тяжелая частица проходит относительно небольшое расстояние от своего источника. Области, содержащие высокую концентрацию реакционноспособных частиц после поглощения энергии излучения, называются шпорами. В среде, облученной излучением с низким LET, шпоры распределены разреженно по траектории и не могут взаимодействовать друг с другом. При облучении излучением с высоким LET шпоры могут перекрываться, что позволяет протекать межшпоровым реакциям и приводит к различным выходам продуктов по сравнению с той же средой, облученной с той же энергией излучением с низким LET.
Редукция органических веществ сольватовыми электронами
Последнее направление исследований – уничтожение токсичных органических соединений посредством облучения; после облучения "диоксины" (полихлородибензо-п-диоксины) дехлорируются аналогично тому, как полихлорированные бифенилы (ПХБ) могут быть превращены в бифенил и неорганический хлорид. Это происходит потому, что сольватированные электроны реагируют с органическим соединением, образуя радикальный анион, который разлагается с потерей аниона хлорида. При облучении гамма-лучами дегазированной смеси ПХБ в изопропаноле или минеральном масле, ПХБ дехлорируются с образованием неорганического хлорида и бифенила. Реакция протекает наиболее эффективно в изопропаноле при добавлении гидроксида калия (каустической кали). Основание депротонирует гидроксидиметилметильный радикал, превращая его в ацетон и сольватированный электрон, что приводит к увеличению значения G (выхода продукта на единицу поглощенной энергии излучением) хлорида, поскольку излучение инициирует цепную реакцию, и каждый сольватированный электрон, образованный под действием гамма-лучей, способен преобразовать более одной молекулы ПХБ. Скорость реакции снижается при наличии в смеси кислорода, ацетона, оксида азота, гексафторида серы или нитробензола. Данные исследования проводились недавно в США, часто с использованием отработанного ядерного топлива в качестве источника излучения. Помимо работ по разрушению арилхлоридов, было показано, что алифатические хлор- и бромсодержащие соединения, такие как перхлорэтилен, фреон (1,1,2-трихлоро-1,2,2-трифторэтан) и галон 2402 (1,2-дибромо-1,1,2,2-тетрафторэтан), могут быть дегалогенизированы под действием излучения на щелочные растворы изопропанола. Вновь была зарегистрирована цепная реакция. Наряду с исследованиями по восстановлению органических соединений посредством облучения, сообщалось о работах по радиационно-индуцированному окислению органических соединений. Например, сообщалось об использовании радиогенного пероксида водорода (образуемого при облучении) для удаления серы из угля. В этом исследовании было установлено, что добавление диоксида марганца к углю увеличивает скорость удаления серы. Также сообщалось о разложении нитробензола в воде как в восстановительных, так и в окислительных условиях.
Редукция соединений металлов
В дополнение к восстановлению органических соединений сольватированными электронами, сообщалось, что при облучении раствор пертехнетата при pH 4,1 превращается в коллоид диоксида технеция. Облучение раствора при pH 1,8 приводит к образованию растворимых комплексов Tc(IV). Облучение раствора при pH 2,7 формирует смесь коллоида и растворимых соединений Tc(IV). Гамма-облучение используется в синтезе наночастиц золота на оксиде железа (Fe2O3). Показано, что облучение водных растворов соединений свинца приводит к образованию металлического свинца. Присутствие неорганических твердых веществ, таких как бентонит и формиат натрия, способствует удалению свинца из водного раствора.
Модификация полимера
Еще одна ключевая область применения – модификация полимеров с использованием радиационной химии. С помощью радиации можно осуществлять полимеризацию мономеров, сшивать полимеры и разрывать полимерные цепи. Этот метод применим как к синтетическим, так и к природным полимерам (например, углеводам).
Химия воды
Как вредные последствия радиации для биологических систем (индукция рака и острых радиационных повреждений), так и полезные последствия радиотерапии связаны с радиационной химией воды. Подавляющее большинство биологических молекул находится в водной среде; когда вода подвергается воздействию радиации, она поглощает энергию и в результате образует химически реактивные частицы, которые могут взаимодействовать с растворенными веществами (растворами). Вода ионизируется с образованием сольватированного электрона и H2O+, катион H2O+ может реагировать с водой, образуя гидратированный протон (H3O+) и гидроксильный радикал (HO.). Кроме того, сольватированный электрон может рекомбинировать с катионом H2O+ с образованием возбужденного состояния воды. Это возбужденное состояние затем разлагается на частицы, такие как гидроксильные радикалы (HO.), атомы водорода (H.) и атомы кислорода (O.). Наконец, сольватированный электрон может реагировать с растворенными веществами, такими как сольватированные протоны или молекулы кислорода, с образованием атомов водорода и диоксидных радикальных анионов соответственно. Тот факт, что кислород изменяет радиационную химию, может быть одной из причин, почему оксигенированные ткани более чувствительны к облучению, чем дезоксигенированные ткани в центре опухоли. Свободные радикалы, такие как гидроксильный радикал, химически модифицируют биомолекулы, такие как ДНК, что приводит к повреждениям, таким как разрывы цепей ДНК. Некоторые вещества могут защищать от радиационного повреждения, реагируя с реактивными частицами, образующимися при облучении воды. Важно отметить, что реактивные частицы, генерируемые излучением, могут участвовать в последующих реакциях; это аналогично неэлектрохимическим реакциям, которые следуют за электрохимическим событием, наблюдаемым в циклической вольтамперометрии при необратимом процессе. Например, радикал SF5, образованный в результате реакции сольватированных электронов и SF6, подвергается дальнейшим реакциям, приводящим к образованию фтористого водорода и серной кислоты. В воде реакция димеризации гидроксильных радикалов может образовывать перекись водорода, а в солевых системах реакция гидроксильных радикалов с хлорид-ионами образует гипохлорит-ионы. Воздействие радиации на подземные воды отвечает за образование водорода, который бактерии превращают в метан.
Радиационная химия, применяемая в промышленном оборудовании
Для обработки материалов можно использовать гамма-источник или электронный луч. Международный тип IV (с мокрым хранением) – распространенная конструкция, типичными примерами которой являются гамма-стерилизаторы JS6300 и JS6500 (производимые компанией "Nordion International", ранее известной как "Atomic Energy of Canada Ltd"). В этих облучательных установках источник хранится в глубоком колодце, заполненном водой, когда он не используется. При необходимости источник перемещается стальным тросом в камеру облучения, где находятся материалы, подлежащие обработке; эти материалы помещаются в ящики, которые перемещаются по камере с помощью автоматического механизма. Перемещая ящики из одной точки в другую, содержимое получает равномерную дозу. После обработки продукт автоматически выводится из камеры. Камера облучения имеет очень толстые бетонные стены (около 3 м толщиной), чтобы предотвратить выход гамма-излучения. Источник состоит из стержней 60Co, герметично запаянных в два слоя нержавеющей стали. Стержни объединяются с инертными муляжами для формирования кассеты с общей активностью около 12,6 PBq (340 кКи).
Научно-исследовательское оборудование
Хотя некоторые виды исследований можно проводить с использованием облучителя, аналогичного применяемому для гамма-стерилизации, в определенных областях науки распространена методика экспериментов с временным разрешением, при которой материал подвергается воздействию импульса излучения (обычно электронов от линейного ускорителя – LINAC). После импульса излучения концентрацию различных веществ в материале измеряют с помощью эмиссионной или абсорбционной спектроскопии, что позволяет определить скорости реакций. Это дает возможность измерять относительную реакционную способность веществ по отношению к реакционноспособным частицам, образующимся при воздействии излучения на растворитель (чаще всего воду). Этот метод эксперимента известен как импульсный радиолиз и тесно связан с фотолизом вспышкой. В последнем образцу передается световой импульс для изучения распада возбужденных состояний посредством спектроскопии; в некоторых случаях возможно исследовать образование новых соединений. Эксперименты по фотолизу вспышкой способствовали более глубокому пониманию влияния содержащих галоген соединений на озоновый слой.
Химиодатчик
Химиодатчик SAW неионный и неспецифичный. Он напрямую измеряет общую массу каждого химического соединения по мере его выхода из газохроматографической колонки и конденсации на поверхности кристалла, что приводит к изменению основной акустической частоты кристалла. Концентрация запаха измеряется непосредственно этим интегральным детектором. Расход колонки определяется микропроцессором, непрерывно вычисляющим производную частоты SAW.