Основы радиационной химии

Радиационная химия – наука, изучающая химические и физико-химические превращения веществ под действием излучений высокой энергии (рентгеновских лучей, γ-лучей, электронов, тяжелых заряженных частиц, многозарядных ионов, нейтронов, продуктов ядерных реакций). Наука эта сравнительно молодая; ее «возраст» еще не достиг 100 лет. Тем не менее она занимает почетное место в созвездии химических дисциплин.

Связь радиационной химии с другими разделами химии. Радиационная химия является частью физической химии. Она развивается в тесной связи с радиохимией, фотохимией, химической кинетикой, аналитической химией, химией свободных радикалов и возбужденных состояний.

В радиационной химии широко применяются радиоактивные изотопы (например, ⁶⁰Со, ¹³⁷Cs, ²¹⁰Po) в качестве источников излучения высокой энергии. Химия радиоактивных изотопов изучается радиохимией. Естественно, сведения по химии этих изотопов представляют существенный интерес для радиационной химии. Не менее важна для нее информация, получаемая радиохимиками при исследовании реакций «горячих» атомов, возникающих при ядерных превращениях, а также свойств водородоподобных атомов (позитрония, мюония). В некоторых случаях имеет место даже «переплетение» радиационной химии и радиохимии. Например, химические превращения ионов актинидов в водных растворах под действием собственного излучения изучаются радиационной химией. Однако радиохимики считают, что это относится к радиохимии. Тесная связь радиационной химии и радиохимии проявляется и в том, что на раннем этапе развития радиационной химии она называлась радиохимией. В фотохимии изучают химические превращения веществ под действием света, и главное различие между радиационной химией и фотохимией состоит в величине энергии излучения, инициирующего превращения веществ. В фотохимии каждый фотон возбуждает только одну молекулу вещества; в радиационной химии энергия частицы или фотона такова, что каждая частица или каждый фотон могут ионизовать и возбудить большое число молекул. Это различие иллюстрируется рис. 1.

Рис. 1. Поглощение веществом фотонов ультрафиолетового излучения (а) и α-частиц (б)

1 – обычные молекулы, 2 – возбужденные или ионизованные молекулы

Свет в своем действии на вещество селективен; для излучений высокой энергии селективность отсутствует.

Вместе с тем существует и сходство между радиационной химией и фотохимией. Нередко конечные продукты радиационно-химических и фотохимических превращений в какой-либо системе одинаковы. Иногда одинаковы и промежуточные (короткоживущие) продукты этих превращений. Чаще всего это наблюдается в процессах с участием возбужденных молекул. Кроме того, радиационная химия и фотохимия применяют родственные экспериментальные методы: соответственно импульсный радиолиз и импульсный фотолиз. Рассматриваемое сходство подчеркивается тем обстоятельством, что в довоенный период, когда были сравнительно широко распространены рентгеновские трубки, радиационную химию называли «фотохимией рентгеновских лучей».

Радиационно-химические превращения веществ происходят, как правило, в результате реакций свободных радикалов, сольватированных электронов, возбужденных молекул и других короткоживущих частиц, образующихся при облучении. Обычно это быстрые и сверхбыстрые реакции. Знание их кинетических особенностей весьма важно для объяснения, а в ряде случаев и предсказания возможных направлений протекания радиационно-химических процессов. Говоря по-иному, радиационная химия – это химическая кинетика быстрых и сверхбыстрых реакций.

При действии излучения высокой энергии на какую-либо систему в ней образуется большой набор различных веществ. Для установления механизма процессов, приводящих к их возникновению, необходимо, чтобы эти процессы не были осложнены вторичными реакциями с участием полученных продуктов. Следовательно, требуется, чтобы эти продукты были в очень малых количествах. Очевидно, для их анализа при указанных условиях необходимо использовать самые совершенные методы. Таким образом, радиационная химия – это и аналитическая химия сложных смесей веществ в малых и ультрамалых количествах.

Уже отмечалось, что при облучении в системе могут возникнуть различные короткоживущие продукты: сольватированные электроны, свободные радикалы, возбужденные молекулы и т. п. Эти продукты участвуют в разнообразных реакциях. В данном отношении радиационная химия – это химия свободных радикалов и возбужденных состояний. Естественно, она широко применяет все методы, которые используются для исследования указанных частиц. К числу таких методов относится, например, метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Разделы радиационной химии. В настоящее время можно выделить следующие разделы радиационной химии:

1. общая радиационная химия;

2. радиационная химия газов;

3. радиационная химия воды и водных растворов, включая биологически важные системы;

4. радиационная химия органических соединений;

5. радиационная химия и физикохимия твердого тела;

6. радиационная химия гетерогенных процессов, включая радиационный катализ;

7. радиационная химия полимеров;

8. радиационная полимеризация;

9. химическая дозиметрия;

10. прикладная радиационная химия.

Общая радиационная химия занимается изучением механизма и закономерностей первичных радиационно-химических процессов, природы и свойств короткоживущих продуктов, образующихся в результате этих процессов. Разделы со второго по восьмой различаются объектами исследования или природой изучаемых процессов. Например, в радиационной химии газов объектами исследования являются газообразные вещества (кислород, окислы азота, метан, этан и т. д.) и их смеси, а в радиационной химии гетерогенных процессов изучается влияние излучения высокой энергии на катализ, сорбцию, коллоидные системы и т. д.

Химические методы дозиметрии – это раздел одновременно и радиационной химии и дозиметрии. Он представляет собой определение дозы излучения по величине химического превращения в системе в результате облучения.

Прикладная радиационная химия включает исследование радиационно-химических процессов, имеющих практическое значение, разработку их технологии, опытно-промышленную проверку и внедрение в промышленность. Сюда относятся радиационно-химические синтезы, радиационное модифицирование материалов, некоторые процессы радиационной полимеризации, радиационное получение композиционных материалов, радиационное отверждение композиций и покрытий, исследования по радиационной стойкости практически важных материалов и т. п.