книги из ГПНТБ / Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие

Например, GH , обозначает число молекул водорода, образовав­ шихся в начальный момент при поглощении 100 эв энергии излу­ чения. Этот выход радиолнза является начальным выходом, а не наблюдаемым, так как не характеризует суммарного про­ цесса реакции. Суммарный радиационный выход с учетом всех реакции, протекающих в среде, обозначается Ощ,) (хими­ ческая формула вещества заключена в круглые скобки). Если перед формулой в скобках стоит минус, то это означает, что данное вещество под действием излучения разлагается. Напри­ мер, G(_H.O) показывает число молекул воды, разлагающихся под действием 100 эв поглощенной энергии излучения.

Величина радиационнохимического выхода зависит в пер­

162 Г л . 6. Радиолиз воды

ние). Процессы рассеяния будут упругими, если в результате

и молекул. В результате упругого рассеяния электронов при взаимодействии с электрическим зарядом атомов среды суммар­ ная кинетическая энергия электрона и атома не меняется. Из­ меняется лишь направление движения электронов. Наибольшее отклонение электронов наблюдается при прохождении вблизи атомного ядра.

При неупругих соударениях энергия электрона теряется в результате взаимодействия его с электронами атома. При этом наблюдается возбуждение и ионизация атомов и молекул. С увеличением начальной энергии электрона вероятность воз­ буждения атомов возрастает. В случае передачи энергии воз­ бужденного атома валентному электрону последний может быть выбит со своего энергетического уровня и покинуть атом. В этом случае выбитый электрон способен произвести ионизацию н образовать вторичную траекторию с более сильной ионизацией, чем у исходного более быстрого электрона. Число вторичных электронов, образующихся на единицу длины траектории, возра­ стает с уменьшением энергии первичного электрона. При воз­ буждении атома последний не теряет электронов. Происходит лишь переход части его электронов на более высокие энергети­ ческие уровни. Обычно расход энергии электронов на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды называют ионизацион­ ными потерями. Полный расход энергии электронов будет равен сумме ионизационных потерь и потерь на тормозное излучение (радиальных потерь). Постепенное торможение электронов в поглощающей среде зависит главным образом от их взаимо­ действия о электронами атомов.

Проникающая способность электронов зависит прежде всего от их начальной энергии. Толщина слоя полного поглощения электронов средой определяется числом неупругих соударений, которые испытывает электрон с электронами атомов в единице объема, т. е. электронной плотностью вещества. Поглощение электронов описывается экспоненциальной зависимостью

I = Le-u-d 1 1ос »

где /о — интенсивность в отсутствие поглотителя; / — интенсив­ ность после прохождения излучения через слой поглотителя толщиной d см; ц — общий коэффициент поглощения, сыт1.

Коэффициент поглощения показывает, какая часть электро­ нов поглощается на единице длины пути в данной среде. Зна­ чение коэффициента поглощения пропорционально плотности р поглощающей среды. Отношение ц/р, называемое массовым

164 Г а . 6. Радиолиз воды ■

трона и у-кванта. Фотоэлектрон рассеивает свою энергию за счет процессов ионизации и тормозного излучения.

Если у-кванты имеют достаточную энергию, то в основном

Фотоэлектрическое поглощение заметно возрастает, если энер­ гия у-кванта становится больше энергии связи электронов на /(-оболочке. Поскольку при фотоэффекте должны выполняться законы сохранения энергии и момента количества движения, то атом, из оболочки которого вырван электрон, также получает некоторый импульс (атомы отдачи). Таким образом, фотоэф­ фект невозможен для свободных электронов.

При эфсректе Комптона у-квант может взаимодействовать как с орбитальным, так и со свободны.м электроном. Комптонэффект наблюдается при энергии у-кванта >0,01 Мэе. Гаммаквант отдает часть своей энергии электрону, в результате чего последний выбрасывается из атома и приобретает кинети­ ческую энергию Е, равную разности энергий первоначального и рассеянного у-квантов (см. рис. 6.2). Гамма-квант изменяет

у-квант с меньшей энергией. Рассеянные у-кванты, взаимодей­ ствуя с электронами атомов, продолжают уменьшать свою энергию в процессе прохождения через среду, и в конце их по­ глощения происходит обычно фотоэлектрический эффект.

Комптоновские электроны характеризуются непрерывным спектром энергии от ничтожно малых значений до максималь­ ных величии, получающихся в том случае, когда вылет элек­ тронов происходит в направлении первичного у-кванта. Таким образом, потеря энергии в результате комптон-эффекта, которая происходит при прохождении у-излучения через вещество, равна энергии, уносимой электронами, и рассеянной энергии вторич­ ных у-кваитов. Для энергии первичных у-квантов 1,6 Мэв эти величины приблизительно равны. При более высоких уров­ нях энергии у-кваитов потеря энергии, уносимой электронами, больше потери энергии за счет рассеяния. В воде эффект Комп­ тона является наиболее важным механизмом поглощения при энергии первоначальных у-квантов 0,03—20 Мэв.

Образование пар, т. е. превращение у-излучения в позитро­ ны и электроны, происходит в непосредственной близости от атомного ядра под влиянием его поля. В процессе образования пар у-квант исчезает и появляются электрон и позитрон. Энер­ гия у-кванта частично переходит в массу покоя этих двух частиц (2т0с2) и частично в кинетическую энергию позитрона и элек­ трона. Образование пар не может происходить при энергии у-кванта менее 2mnc2=l,02 Мэв. Образовавшийся позитрон замедляется как обычный электрон или взаимодействует с элек­ троном (при этом обе частицы аннигилируют), давая два у- кванта с энергией по 0,51 Мэв.

Взаимодействие нейтронов с веществом. Нейтроны, не имея заряда, непосредственно не ионизируют вещество и взаимодей­ ствуют только с атомными ядрами. Ионизировать среду могут продукты взаимодействия нейтрона с ядром: протоны, тяжелые ионы, у-пзлучеине. Основными процессами взаимодействия ней­ тронов с ядрами атомов являются: упругое и неупругое рас­ сеяние, радиационный захват, ядерные реакции с испусканием заряженных частиц (протонов, cs-частиц и т. д.), деление ядра. Характер взаимодействия, в первую очередь зависит от энергии

14 Мэв, сверхбыстрые— >14 Мэв. Следует заметить, что клас­ сификация нейтронов по их энергии не является строго опреде­ ленной. Упругое рассеяние — наиболее вероятный процесс для быстрых нейтронов. Он также имеет значение п для взаимодей­ ствия с веществом промежуточных нейтронов. При столкнове­

нии с ядрами энергия нейтронов распределяется согласно зако­ нам сохранения энергии и момента количества движения между рассеянными нейтронами и ядрами отдачи. Максимальная энер­ гия, которая может быть передана нейтроном ядру с атомным весом А, может быть определена из соотношения

отдачи ионизирует и возбуждает молекулы рассеивающего ве­ щества, например. воды. При неупругом рассеянии нейтрон поглощается ядром, затем вновь испускается, но уже с более низкой энергией. Ядро находится некоторое время в возбуж­ денном состоянии и переходит в основное состояние с высвечи­ ванием одного или нескольких у-квантов. Неупругое рассеяние не наблюдается, если энергия нейтронов ниже наименьшей энергии возбужденного состояния ядра, которая обычно порядка 100 кэв. Вероятность этого процесса быстро возрастает с уве­ личением энергий нейтронов. При энергии порядка 10 Мэв равновероятно как упругое, так и неупругое рассеяние.

Ядерный захват характерен для медленных нейтронов. Этот процесс приводит к возникновению неустойчивого ядра, претер­ певающего превращение с испусканием у-квантов или заряжен­ ных частиц. Примером таких реакций могут быть: Н(я, у) D, 160(/г, y )17N, 10B(n, a )7Li. Реакции деления наблюдаются в слу­ чае тяжелых элементов. Продукты деления обладают высокой энергией и способны вызвать ионизацию и возбуждение среды.

Ионизация и возбуждение молекул происходят вдоль пути частицы высокой энергии. Возбужденное состояние возникает, когда связанные электроны в атомах и молекулах получают дополнительную энергию и переходят на более высокие уровни. При ионизации атомы и молекулы теряют электроны, получив энергию большую, чем в случае возбуждения.

В результате поглощения любого вида излучения образуются

треки возбужденных и ионизированных частиц. Продукты взаимодействия излучения с данным веществом в основном не зависят от вида и энергии излучения. Все виды ионизирующего излучения дают качественно одинаковый химический эффект. Однако излучения различных видов и энергий с разной ско­ ростью теряют свою энергию в веществе и плотность первичных продуктов взаимодействия излучения с веществом в треках за­ висит от вида излучения. Химический эффект зависит от плот­ ности первичных продуктов в треках, особенно в жидкостях,

где миграция первичных продуктов из трека затруднена окру­ жающими молекулами. В газах первичные продукты могут относительно легко покидать треки, поэтому под действием различных видов излучения в газах обычно не наблюдается большой разницы в выходах продуктов радиационнохимических реакций.

Электроны, выбитые из атомов или молекул, в результате первичных процессов ионизации могут, обладая достаточной энергией, сами производить ионизацию и возбуждение. Если энергия таких вторичных электронов менее 100 эв, то их про­ беги в жидкостях малы и продукты вторичной ионизации рас­ положены очень близко от первичных, образуя так называемые шпоры возбужденных и ионизированных атомов и молекул. Некоторые вторичные электроны с достаточно высокой энергией

10В (и, а ) 7 Li

168 Гл. 6. Радиолиз воды

могут мигрировать на значительное расстояние от места своего возникновения, давая собственные треки, ответвляющиеся от

воды. Если частица обладает высокой плотностью ионизации вдоль своего пути( например, а-частица), то шпоры, перекрываясь, образуют колонны ионов и возбужденных частиц вдоль треков (колонная ионизация). Для быстрых вторичных электро­ нов, образующихся при поглощении водой у-излучения, расстоя­ ние между шпорами по треку электрона ІО4 А и первоначальный диаметр их равен ~20А . Замедленные электроны с энергией ~ 0,025 эв, по-видимому, непосредственно нейтрализуют поло­ жительный ион или сначала захватываются нейтральной моле­ кулой, давая отрицательный ион, который впоследствии нейтра­ лизует положительный нон.

Линейная передача энергии. Выше говорилось, что скорость потерн энергии ионизирующей частицы при прохождении через вещество на единицу длины пути характеризуется тормозной способностью среды — dE/dx. В радиационной химии эта вели­ чина называется линейной передачей энергии (ЛПЭ). Едини­ цей ее измерения является кэв/мкм или эв/А. Заряженные ча­ стицы постепенно теряют свою энергию по мере прохождения через среду. Поэтому значение ЛПЭ вдоль трека частицы не­ одинаково. Особенно это характерно для заряженных частиц. Начальные значения ЛПЭ в воде для различных видов ионизи­ рующего излучения приведены в табл. 6.2.

§ 6. 3

Теория свободных радикалов

Наилучшее объяснение фактам, наблюдающимся при радио­ лизе воды, дает теория свободных радикалов. Согласно этой теории при действии ионизирующего излучения на воду проис­ ходит образование свободных радикалов Н- и ОН-

Возникают эти радикалы следующим путем. Частица с высокой энергией ионизирует молекулу воды, находящуюся вблизи ее траектории,

Вторичные электроны ионизируют несколько других молекул воды. Возникшие при этом ионы образуют шпоры. Некоторые

другие молекулы воды, отстоящие дальше от трека, возбужда­ ются, так как приобретают энергию, недостаточную для иони­ зации. Схематически эти процессы представлены на рис. 6.3. Существуют две гипотезы о дальнейшем поведении вторичного электрона. Согласно гипотезе Самюэля и Маги вторичный электрон теряет свою энергию при неупругих соударениях с

ФВозбужденная молекула

Рис. 6.3. Схема процессов, происходящих в треке ионизирующей частицы через 10- 18Ч-10-16 сек после ее прохождения через воду.

молекулами воды, затем возвращается назад и взаимодействует

сматеринским ионом, который образовался из молекулы воды

врезультате потери электрона. Образовавшаяся нейтральная молекула воды сильно возбуждена (возбужденное состояние от­ мечено звездочкой) и распадается на радикалы

По гипотезе Ли и Грея вторичный электрон после потери энер­ гии не может присоединиться к иону, а на некотором расстоянии от него сольватируется и образует радикал водорода

Ион Н2.0+ диссоциирует, давая радикал ОН •:

По гипотезе Самюэля и Маги радикалы Н- и ОН-, которые образовались из возбужденной молекулы воды, находятся близ­ ко друг к другу. По гипотезе Ли и Грея радикал ОНнахо­ дится вблизи трека ионизирующей частицы, а радикал Н- — на некотором расстоянии от него. В настоящее время трудно от­ дать предпочтение той или иной гипотезе.