Radioliza - Radiolysis

Radiolizy jest dysocjacja od cząsteczki przez jonizującego promieniowania . Jest to rozerwanie jednego lub kilku wiązań chemicznych w wyniku wystawienia na działanie strumienia o wysokiej energii. Promieniowanie w tym kontekście jest związane z promieniowaniem jonizującym ; radiolizy zatem różni się od, na przykład, fotolizy w CI 2 cząsteczek na dwie Cl- rodniki , w których ( ultrafioletowe lub widzialnego widma ) światła jest używane.

Na przykład woda dysocjuje pod wpływem promieniowania alfa na rodnik wodorowy i rodnik hydroksylowy , w przeciwieństwie do jonizacji wody, która wytwarza jon wodorowy i jon wodorotlenkowy . Chemii stężonych roztworów pod promieniowanie jonizujące jest bardzo skomplikowane. Radioliza może lokalnie modyfikować warunki redoks , a zatem specjację i rozpuszczalność związków.

Rozkład wody

Ze wszystkich badanych reakcji radiacyjno-chemicznych najważniejszy jest rozkład wody. Po wystawieniu na działanie promieniowania, woda ulega sekwencję podział na nadtlenek wodoru , rodników wodorowych i różne związki, takie jak tlen, ozon , który po przekształceniu z powrotem w tlen uwalnia duże ilości energii. Niektóre z nich są wybuchowe. Ten rozkład jest wytwarzany głównie przez cząstki alfa , które mogą być całkowicie wchłonięte przez bardzo cienkie warstwy wody.

Podsumowując, radiolizę wody można zapisać jako:

Aplikacje

Przewidywanie i zapobieganie korozji w elektrowniach jądrowych

Uważa się, że przy projektowaniu elektrowni jądrowych należy wziąć pod uwagę zwiększone stężenie hydroksylu obecnego w napromieniowanej wodzie w wewnętrznych pętlach chłodziwa reaktora na lekką wodę , aby zapobiec utracie chłodziwa w wyniku korozji .

Produkcja wodoru

Obecne zainteresowanie nietradycyjnymi metodami wytwarzania wodoru skłoniło do ponownego przyjrzenia się radiolitycznemu rozszczepieniu wody, gdzie oddziaływanie różnych typów promieniowania jonizującego (α, β i γ) z wodą powoduje powstanie wodoru cząsteczkowego. Do ponownej oceny przyczyniła się dodatkowo obecna dostępność dużych ilości źródeł promieniowania zawartych w paliwie wyrzucanym z reaktorów jądrowych . To wypalone paliwo jest zwykle przechowywane w basenach wodnych w oczekiwaniu na trwałe usunięcie lub ponowne przetworzenie . Wydajność wodoru wynikająca z napromieniowania wody promieniowaniem β i γ jest niska (wartości G = <1 cząsteczka na 100 elektronowoltów pochłoniętej energii), ale jest to w dużej mierze spowodowane szybką reasocjacją związków powstających podczas początkowej radiolizy. Jeśli obecne są zanieczyszczenia lub jeśli powstają warunki fizyczne, które uniemożliwiają ustanowienie równowagi chemicznej, produkcja netto wodoru może zostać znacznie zwiększona.

Inne podejście wykorzystuje odpadów radioaktywnych, jako źródło energii dla regeneracji zużytego paliwa przez przekształcenie boran sodu w borowodorku sodu . Stosując odpowiednią kombinację kontroli, można wytworzyć stabilne związki borowodorkowe i wykorzystać je jako medium magazynujące paliwo wodorowe.

Badanie przeprowadzone w 1976 roku wykazało, że można oszacować rząd wielkości średniego tempa produkcji wodoru, które można uzyskać, wykorzystując energię uwolnioną przez rozpad radioaktywny. W oparciu o wydajność pierwotnego wodoru cząsteczkowego wynoszącą 0,45 molekuły/100 eV, otrzymujemy 10 ton dziennie. Szybkości produkcji wodoru w tym zakresie nie są nieznaczne, ale są niewielkie w porównaniu ze średnim dziennym zużyciem (1972) wodoru w USA wynoszącym około 2 x 10^4 ton. Dodanie donora atomu wodoru może zwiększyć to około sześciokrotnie. Wykazano, że dodanie donora atomu wodoru, takiego jak kwas mrówkowy, zwiększa wartość G dla wodoru do około 2,4 cząsteczki na pochłonięte 100 eV. W tym samym badaniu stwierdzono, że zaprojektowanie takiego obiektu byłoby prawdopodobnie zbyt niebezpieczne, aby było wykonalne.

Zużyte paliwo jądrowe

Wytwarzanie gazu przez rozkład radiolityczny materiałów zawierających wodór od wielu lat jest przedmiotem troski w transporcie i przechowywaniu materiałów promieniotwórczych i odpadów. Potencjalnie palne i korozyjne gazy mogą być generowane, podczas gdy w tym samym czasie reakcje chemiczne mogą usuwać wodór, a reakcje te mogą być wzmocnione przez obecność promieniowania. Równowaga między tymi konkurującymi reakcjami nie jest obecnie dobrze znana.

Radioterapia

Kiedy promieniowanie dostanie się do organizmu, będzie oddziaływać z atomami i cząsteczkami komórek (głównie z wody), wytwarzając wolne rodniki i cząsteczki, które są w stanie dyfundować wystarczająco daleko, aby dotrzeć do krytycznego celu w komórce, DNA i uszkodzenia pośrednio poprzez jakąś reakcję chemiczną. Jest to główny mechanizm uszkadzania fotonów, ponieważ są one wykorzystywane na przykład w radioterapii wiązką zewnętrzną .

Zazwyczaj zdarzenia radiolityczne, które prowadzą do uszkodzenia DNA komórek (nowotworowych) są podzielone na różne etapy, które mają miejsce w różnych skalach czasowych:

  • Etap fizyczny ( ), polega na odłożeniu energii przez jonizującą cząstkę i wynikającej z tego jonizacji wody.
  • Na etapie fizykochemicznym ( ) zachodzą liczne procesy, np. cząsteczki zjonizowanej wody mogą rozdzielić się na rodnik hydroksylowy, a cząsteczka wodoru lub wolne elektrony mogą ulec solwatacji .
  • Na etapie chemicznym ( ) pierwsze produkty radiolizy reagują ze sobą iz otoczeniem, wytwarzając w ten sposób kilka reaktywnych form tlenu, które są zdolne do dyfuzji.
  • Na etapie biochemicznym ( do kilku dni) te reaktywne formy tlenu mogą zerwać wiązania chemiczne DNA, wywołując w ten sposób odpowiedź enzymów, układu odpornościowego itp.
  • Wreszcie na etapie biologicznym (od dni do lat) uszkodzenie chemiczne może przełożyć się na biologiczną śmierć komórki lub onkogenezę, gdy uszkodzone komórki próbują się podzielić.

Historia Ziemi

Sugerowano, że we wczesnych stadiach rozwoju Ziemi, kiedy jej radioaktywność była prawie o dwa rzędy wielkości wyższa niż obecnie, radioliza mogła być głównym źródłem tlenu atmosferycznego, co zapewniało warunki do powstania i rozwoju życia . Wodór cząsteczkowy i utleniacze wytwarzane przez radiolizę wody mogą również stanowić ciągłe źródło energii dla podpowierzchniowych społeczności drobnoustrojów (Pedersen, 1999). Takie spekulacje są obsługiwane przez odkrycie w Mponeng kopalni złota w RPA , gdzie naukowcy odkryli społeczności zdominowanej przez nową phylotype z Desulfotomaculum , żywiąc się głównie radiolytically produkowanego H 2 .

Metody

Radioliza pulsacyjna

Radioliza pulsacyjna to najnowsza metoda inicjowania szybkich reakcji w celu zbadania reakcji zachodzących w skali czasu szybszej niż około sto mikrosekund , gdy zwykłe mieszanie odczynników jest zbyt wolne i konieczne jest zastosowanie innych metod inicjowania reakcji.

Technika ta polega na wystawieniu próbki materiału na wiązkę silnie przyspieszonych elektronów , która to wiązka jest generowana przez linak . Ma wiele zastosowań. Został opracowany na przełomie lat 50. i 60. przez Johna Keene w Manchesterze i Jacka W. Boaga w Londynie.

Fotoliza błyskowa

Fotoliza błyskowa jest alternatywą dla radiolizy impulsowej, która do inicjowania reakcji chemicznych wykorzystuje impulsy świetlne o dużej mocy (np. z lasera ekscymerowego ) zamiast wiązek elektronów. Zazwyczaj stosuje się światło ultrafioletowe, które wymaga mniejszego ekranowania promieniowania niż wymagane dla promieni rentgenowskich emitowanych w radiolizie impulsowej.

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Maria Curie. „Traité de radioactivité, s. v–xii. Wydane przez Gauthier-Villars w Paryżu, 1910” . Cytowanie dziennika wymaga |journal=( pomoc )
  2. ^ Le Caër, Sophie (2011). „Radioliza wody: wpływ powierzchni tlenków na produkcję H2 pod wpływem promieniowania jonizującego” . Woda . 3 : 235–253. doi : 10.3390/w3010235 .
  3. ^ "Radiolityczne Rozszczepianie Wody: Demonstracja w Reaktorze Pm3-a" . Źródło 18 marca 2016 .
  4. ^ Sauer, Jr., MC; Hart, EJ; Flynn, KF; Gindler, JE (1976). „Pomiar uzysku wodoru w radiolizie wody przez rozpuszczone produkty rozszczepienia” . doi : 10.2172/7347831 . Źródło 26 wrzesień 2019 . Cytowanie dziennika wymaga |journal=( pomoc )
  5. ^ Sala, EJ; Giaccia, AJ (2006). Radiobiologia dla radiologa (wyd. 6).
  6. ^ R Bogdanov i Arno-Toomas Pihlak z Petersburskiego Uniwersytetu Państwowego
  7. ^ Li-Hung Lin; Pei-Ling Wang; Douglas Rumble; Johanna Lippmann-Pipke; Erika Boice'a; Lisa M. Pratt; Barbara Sherwood Lollar ; Eoin L. Brodie; Terry'ego C. Hazena; Gary L. Andersen; Todd Z. DeSantis; Duane P. Moser; Dave Kershaw i TC Onstott (2006). „Długoterminowa trwałość wysokoenergetycznego biomu skorupy o niskiej różnorodności” . Nauka . 314 (5798): 479–82. Kod Bibcode : 2006Sci...314..479L . doi : 10.1126/science.1127376 . PMID  17053150 . S2CID  22420345 .
  8. ^ "Radioaktywność może napędzać życie Deep Underground i wewnątrz innych światów #separator_sa #site_title" . Magazyn Quanty . 2021-05-24 . Pobrano 2021-06-03 .

Linki zewnętrzne

Radioliza pulsacyjna