Кількісна оцінка радіаційно-хімічних реакцій

Основною кількісною характеристикою радіаційно-хімічних реакцій є вихід продуктів реакцій (G) на одиницю поглинутої дози, тобто число молекул, що виникли внаслідок перетворень речовин по ходу радіаційно-хімічних реакцій на 100 еВ поглинутої енергії випромінювання.

G = M/E

Де М – кількість змінених молекул

Е – поглинута енергія випромінювання.

Іншою характеристикою радіаційно-хімічних реакцій є йонний вихід (І).

I = M/N

Де N – число іонізацій.

Оскільки на акт іонізації витрачається енергія 32,5 еВ, то G_max не може перевищувати 3, бо 100 еВ/32,5 еВ ≈ 3. У системі СІ ця величина визначається як число молекул реакції на дозу 1 Гр. При символі G у вигляді індексу вказують продукти відповідної радіаційно-хімічної реакції. Наприклад, для продуктів радіолізу води обчислюють виходи реакцій G_H, G_e.aq, G_OH і т.д.

Величина G_x не є сталою, бо її значення залежить від дози опромінення і концентрації речовини, перетворення якої в радіаційно-хімічній реакції дає відповідний продукт х. Зі збільшенням дози опромінення, як правило, зростає і кількість перетворених молекул. Залежність виходу реакції від дози описується експоненціальними функціями. Характеристики цих експонент дають змогу кількісно описувати ефективність радіаційно-хімічних реакцій і визначити поперечний переріз реакції (σ) – коефіцієнт при показнику експоненціальної функції. Якщо кількість перетворених молекул у радіаційно-хімічній реакції позначити як N, то:

N/N₀ = e^-σD

Де N₀ – початкова кількість молекул

D – доза опромінення

σ – поперечний переріз реакції.

Є прямий зв’язок між значеннями G_x I σ.

Радіаційно-хімічні перетворення води

Основну маси клітини становить вода, тому імовірність влучання іонізуючого випромінювання в молекули води є високою. Відповідно, значну роль у радіаційно-хімічних перетвореннях речовин у живій клітині при опроміненні відіграють продукти радіолізу води.

Внаслідок дії іонізуючого випромінювання на чисту нейтральну воду утворюються нестабільні продукти радіолізу, які зазнають подальших перетворень, формуючи різні активні хімічні форми.

Первинними продуктами взаємодії випромінювання і води є іонізовані або збуджені молекули:

H₂O + hν → H₂O⁺ + e^-

H₂O + hν → H₂O^*

Де hν – квант випромінювання.

Далі ці форми молекули води зазнають таких перетворень:

H₂O⁺ → Н⁺ + ОН•

H₂O^* → ОН• + Н•

Електрон, що піддається гідратації, стає гідратованим електроном:

е^-_aq

Йон H₂O⁺ може вступати в іонно-молекулярну реакцію:

H₂O⁺ + H₂O → H₃O⁺ + ОН•

Гідратований електрон може захоплювати молекулу води:

H₂O + е^-_aq → Н• + ОН^-

Між радикалами може відбуватися реакція:

Н• + Н• → Н₂

ОН• + ОН• → H₂O₂

Якщо в середовищі є кисень, то реакції радіолізу ускладнюються:

е^-_aq + O₂ → O₂^-•

Н• + O₂ → НO₂•

ОН^- + НO₂• → Н₂О + O₂^-•

При наявності в середовищі карбоксильних груп:

ОН• + НСОО^- → СО₂^-• + Н₂О

СО₂^-• + O₂ → СО₂ + O₂^-•

Найвищою реакційною здатністю характеризуються радикали: е^-_aq , Н•, ОН•.

Гідратований електрон оточений чотирма молекулами води, орієнтованими згідно їхньої дипольної природи. Гідратований електрон є ефективним відновником. Гідроксильний радикал є ефективним окисником. Радикал водню є відновником. Гідроперекисні радикали поводять себе або як окисники, і тоді в середовищі з’являється перекис водню, або як відновники, що супроводжується утворенням кисню. Ці радикали зазнають рекомбінації:

2 НО₂• → H₂O₂ + O₂

НО₂• + O₂^- + Н⁺ → H₂O + O₂

Перекис водню є одним із первинних продуктів радіолізу води. Роль перекису водню в радіаційно-хімічних перетвореннях речовин не вважається дуже важливою за малих доз опромінення, бо порівняно з іншими продуктами радіолізу (ОН•, Н•, е^-_aq ) ця сполука менш активна. Але за високих доз опромінення, коли концентрація перекису водню досягає істотних значень, його роль у перетвореннях речовин в опроміненому середовищі зростає.