Радиолиз — процесс химических изменений веществ под воздействием ионизирующего излучения. При прохождении ионизирующего излучения через вещество происходит образование ионов, свободных радикалов и возбужденных молекул, что запускает цепь химических реакций. Радиолиз может протекать в газах, жидкостях и твердых телах, однако наиболее изучены процессы радиолиза жидких систем, особенно воды.
Ионизация и возбуждение молекул При взаимодействии с высокоэнергетическими частицами (α-, β-частицы, γ-кванты, нейтроны) молекула теряет электрон, образуя положительно заряженный ион:
[ M M^+ + e^-]
Часть молекул переходит в возбужденное состояние:
[ M M^*]
Рекомбинация и образование радикалов Свободные электроны могут рекомбинировать с ионами или захватываться другими молекулами, образуя радикалы:
[ e^- + M^+ M^*] [ M^* R+ R’]
Цепные химические реакции Образованные радикалы участвуют в последовательных реакциях, приводя к разложению исходного вещества или образованию новых соединений. В водном радиолизе ключевую роль играют радикалы гидроксила (•OH), водорода (•H) и гидратированный электрон (e⁻ₐq):
[ H_2O OH + H + e^-_{aq}]
Водная среда является универсальной модельной системой для изучения радиолиза. Основные продукты радиолиза воды включают:
Коэффициенты выхода продуктов радиолиза выражаются через G-значения — количество молекул, образованных или разрушенных на 100 эВ поглощенной энергии.
Основные реакции водного радиолиза:
Образование радикалов: [ H_2O OH + H + e^-_{aq}]
Рекомбинация радикалов: [ H + H H_2] [ OH + OH H_2O_2]
Взаимодействие с растворенными веществами: Радикалы могут инициировать окислительные и восстановительные процессы с растворенными органическими и неорганическими соединениями, что важно в радиохимии топлива и водоочистке.
Энергия ионизирующего излучения определяет глубину и характер радиолитических процессов. Высокоэнергетические частицы создают плотные треки ионизации, способствуя многократным столкновениям и генерации большого числа радикалов. В жидких системах радиолиз сопровождается локальным повышением температуры и давления, что влияет на кинетику реакций.
Эффект LET (Linear Energy Transfer) — мера энергии, переданной частицей на единицу длины траектории, критически влияет на выход продуктов радиолиза. Высокие LET-частицы (α-частицы) создают локально плотные зоны ионизации, повышая вероятность рекомбинации радикалов.
В газовой фазе радиолиз протекает с образованием ионов, электронов и свободных радикалов, как и в жидкостях, однако низкая плотность среды снижает вероятность рекомбинации, что увеличивает долю устойчивых радикалов.
В твердых телах радиолиз приводит к образованию дефектов кристаллической решетки, изменению оптических и электрических свойств материала. Этот эффект используется в радиационной модификации полимеров и кристаллов, а также в хранении радиоактивных материалов.
Ключевые моменты: