Radiācijas ķīmija kā nozare attīstījās līdz ar radioaktivitātes un rentgenstarojuma atklāšanu. Galvenā loma radiācijas ķīmiskajos procesos ir augstas reaģētspējas daļiņām: elektroniem, ierosinātām molekulām, joniem, radikāļiem.
radiācijas ķīmija
ķīmijas zinātnes apakšnozare, kas pēta jonizējošā starojuma izraisītās fizikālķīmiskās pārmaiņas vielā
Plutonija laboratorija Austrijas Starptautiskās Atomenerģijas aģentūras (IAEA) analītiskajā laboratorijā Zeibersdorfā. Austrija. 26.01.2016.
Satura rādītājs
Teorētiskā un praktiskā nozīme
Radiācijas ķīmiskajiem procesiem ir liela nozīme materiālu radiācijas modifikācijā, medicīnas piederumu, implantu un pārtikas sterilizācijā, bīstamo atkritumu radiācijas sadalīšanā, nanostrukturētu materiālu sintēzē un citur. Jonizējošā starojuma mijiedarbība ar vielu ir jonizējošā starojuma dozimetrijai, kas nodrošina dozu kontroli medicīniskajā apstarošanā (radioterapijā, diagnostikā), darbinieku monitoringā un radiācijas negadījumu situācijās. Radiācijas ķīmisko procesu izpēte palīdz noskaidrot un prognozēt jonizējošā starojuma bioloģiskos efektus, izstrādāt radiācijas aizsargmateriālus medicīnā, kā arī radiācijas stabilus materiālus lietojumam augsta radiācijas līmeņa apstākļos kosmonautikā un kodoltehnoloģijās. Radikāļu reakciju mehānismi palīdz rast atbildes uz jautājumiem par novecošanu, DNS mutācijām, slimību attīstību.
Vieta zinātnes klasifikācijā. Galvenie sastāvelementi
Radiācijas ķīmija ir fizikālās ķīmijas apakšnozare. Pēc starojuma veida, kas iedarbojas uz vielu, radiācijas ķīmiju iedala lādētu daļiņu, elektromagnētiskā starojuma, neitronu radiācijas ķīmijā. Pēc pētāmās vielas agregātstāvokļa radiācijas ķīmiju iedala gāzu, šķidrumu un cietvielu radiācijas ķīmijā. Atsevišķi var izdalīt arī dažādu vielu grupu radiācijas ķīmiju, piemēram, polimēru, pusvadītāju radiācijas ķīmiju.
Austrijas Starptautiskās Atomenerģijas aģentūras (IAEA) analītiskās laboratorijas Zeibersdorfā ķīmiķe atdala ķīmiski plutoniju (Pu) un urānu (U). 06.10.2010.
Galvenās teorijas un jēdzieni
Galvenie jonizējošā starojuma un vielas mijiedarbību raksturojošie parametri ir absorbētā doza, dozas jauda, lineārā enerģijas pārnese, radiācijas ķīmiskais iznākums. Absorbētā doza ir enerģijas daudzums, kuru absorbējusi viela (mērvienība grejs Gy, 1Gy = 1J/kg). Dozas jauda ir absorbētās enerģijas daudzums laika vienībā (Gy/s). Lineārā enerģijas pārnese (LEP) raksturo videi nodotās enerģijas apjomu daļiņas/fotona ceļa garuma vienībā (J/m). Visi šie parametri atkarīgi gan no starojuma veida un enerģijas, gan no vides, ar kuru tas mijiedarbojas. Radiācijas ķīmiskais iznākums G ir radiolīzes produkta daudzuma attiecība pret pievadītās enerģijas apjomu (mol/100eV).
Mehānismi, saskaņā ar kuriem notiek vielas mijiedarbība ar starojumu, atkarīgi no starojuma veida. Lādētu daļiņu (beta, alfa daļiņu, protonu, paātrinātu elektronu, jonu) mijiedarbība balstās uz elektrostatiskiem (Kulona) spēkiem. Lādēta daļiņa, kustoties vidē, mijiedarbojas ar atomu elektronu čaulu, kā rezultātā jonizē un ierosina vides atomus, pakāpeniski zaudējot enerģiju. Savukārt mijiedarbībā ar vielas atomu kodoliem veidojas bremzēšanas starojums (elektromagnētiskā starojuma kvanti). Trešais mijiedarbības mehānisms – anihilācija – raksturīgs pozitroniem un citām antidaļiņām. Gan bremzēšanas starojums, gan anihilācijas procesā radies starojums var mijiedarboties ar vidi, to ierosinot un jonizējot. Elektromagnētiskā starojuma jeb fotonu starojuma (gamma un rentgenstarojuma) mijiedarbības pamatā ir trīs mehānismi: fotoelektriskais efekts, Komptona izkliede un elektrona-pozitrona pāra veidošanās (pretējs process anihilācijai). Neitronu mijiedarbība notiek ar vielas atomu kodoliem, izraisot kodolreakcijas, ko aplūko kodolfizika. Cietās vielās gan neitroni, gan smagas lādētas daļiņas var radīt struktūras izmaiņas, jo spēj no savām vietām izsist kristāliskā režģa atomus. Šo struktūras izmaiņu raksturojošs parametrs ir pārvietojumu skaits attiecībā pret atomu skaitu (displacement per atom, DPA). Jonizējošā starojuma un vielas mijiedarbība notiek trīs fāzēs. Fizikālajā fāzē (10-18...10-12 s) notiek tieša un sekundāra vielas ierosināšana, jonizācija un jonizācijas apgabalu veidošanās. Fizikāli-ķīmiskajā fāzē (10-14...10-6 s) notiek ierosināto un jonizēto daļiņu mijiedarbība un radiolīzes starpproduktu veidošanās. Ķīmiskajā fāzē (10-13...103 s) veidojas stabilie radiolīzes produkti. Radiācijas ķīmijas pētījumi koncentrējas uz otro un trešo fāzi – aktīvo daļiņu savstarpējām reakcijām un produktu veidošanos.
Pētniecības metodes
Radiācijas procesu pētījumos izmanto impulsa radiolīzes metodi, kurā materiāls tiek pakļauts jonizējošajam starojumam impulsu režīmā (impulsu garums 10-12...10-1s), vienlaikus in-situ (latīņu 'atrašanās vietā') detektējot radušās daļiņas. Impulsveida jonizējošā starojuma iegūšanai izmanto daļiņu paātrinātājus (elektronu, jonu), savukārt daļiņu detektēšanai in-situ izmanto optisko absorbciju, spektroskopiju, vadītspējas mērījumus u. c. metodes. Radiolīzes produktu un starpproduktu analīzei pēc materiāla apstarošanas ex-situ (latīņu 'ārpus atrašanās vietas') izmanto tādas metodes kā elektronu paramagnētiskā rezonanse, termiski un optiski stimulētā luminiscence, optiskās absorbcijas, ķīmisko akceptoru metodes un citas.
Īsa vēsture
Radiācijas ķīmijas pētījumi aizsākās 19. gs. beigās līdz ar dabīgās radioaktivitātes atklāšanu – 1896. gadā franču fiziķis Antuāns Anrī Bekerels (Antoine Henri Becquerel) atklāja urāna sāļu dabīgo radioaktivitāti. Pirmie eksperimenti saistījās ar cietu vielu izmaiņām dabīgo radioaktīvo izotopu starojuma ietekmē, piemēram, stikla nomelnēšanu pēc pakļaušanas rādija alfa starojumam. 20. gs. 20. gados tika radītas pirmās rentgena iekārtas, kuru izmantošana paplašināja pētījumu iespējas, jo rentgenstariem iespiešanās dziļums vielā bija ievērojami lielāks nekā dabīgo radioaktīvo izotopu alfa starojumam. Par būtisku pavērsienu radiācijas ķīmijas attīstībā uzskatāms Otrais pasaules karš, kad notika intensīvs darbs pie kodolieroču un reaktoru izveides, un radiācijas ķīmisko procesu izpratne un paredzēšana kļuva neatsverama. Radiācijas ķīmijas procesu detalizēta izpēte sākās līdz ar impulsa radiolīzes metodes izstrādi 20. gs. otrā pusē. 21. gs. šie pētījumi turpinās, un impulsa garums no sekundēm sarucis uz pikosekundēm (10-12), sniedzot ieskatu precīzās ķīmisko procesu norises detaļās.
Pašreizējais attīstības stāvoklis
Mūsdienās uzmanība vērsta uz radiācijas ķīmijas pielietojumiem jaunu materiālu izstrādē, t. sk. nanodaļiņu sintēzē. Aktuāli ir pētījumi par nanomateriālu un jonizējošā starojuma mijiedarbības īpatnībām, kā arī par radiācijas ķīmiskajiem procesiem augstas temperatūras un spiediena apstākļos un uz dažādu fāžu robežvirsmām.
Vadošās pētniecības iestādes
Vadošās pētniecības iestādes, kas nodarbojas ar radiācijas ķīmijas pētījumiem: Argonas Nacionālā laboratorija (Argonne National Laboratory) Lemontā, Ilinoisā, Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV); Notre Dames Radiācijas laboratorija Notre Dames Universitātē (The Notre Dame Radiation Laboratory, University of Notre Dame) Indianā, ASV; Uzlaboto radiācijas tehnoloģiju institūts (Advanced Radiation Technology Institute) Tedžonā, Korejā; Vielas un radiācijas institūts, Francijas Alternatīvās enerģijas un atomenenerģijas komisijā (Saclay Institute of Matter and Radiation, The French Alternative Energies and Atomic Energy Commission, CEA) Saklē, Francijā; Starpresoru Pielietojamās radiācijas ķīmijas institūts Lodžas Tehniskajā Universitātē (Międzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej, Politechnika Łódzka) Polijā.
Nozīmīgākie periodiskie izdevumi
Nozīmīgākie periodiskie izdevumi: Radiation Physics and Chemistry (kopš 1969. gada, Elsevier), Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry (kopš 1968. gada, Springer), Radiation Effects and Defects in Solids (kopš 1969. gada, Taylor & Francis).
Ievērojamākie pētnieki
Dāņu izcelsmes amerikāņu fiziķis Hugo Frike (Hugo Fricke) sniedza būtisku ieguldījumu ūdens radiolīzes izpētē. Amerikāņu ķīmiķis Miltons Bērtons (Milton Burton) ar grupu veica pētījumus kodolreaktoru materiālu radiācijas ķīmijā. Austriešu un britu ķīmiķis Jozefs Veiss (Joseph Joshua Weiss) sniedza radikāļu mehānisma skaidrojumu. Amerikāņu ķīmiķis Augustīns Allens (Augustine O. Allen) pirmais detalizēti skaidroja piemaisījumu ietekmi uz ūdens radiolīzi, amerikāņu ķīmiķi Edvīns Harts (Edwin J. Hart) un Džeks Boags (Jack W. Boag) pierādīja solvatēta elektrona eksistenci.
Multivide
Plutonija laboratorija Austrijas Starptautiskās Atomenerģijas aģentūras (IAEA) analītiskajā laboratorijā Zeibersdorfā. Austrija. 26.01.2016.
Austrijas Starptautiskās Atomenerģijas aģentūras (IAEA) analītiskās laboratorijas Zeibersdorfā ķīmiķe atdala ķīmiski plutoniju (Pu) un urānu (U). 06.10.2010.