Том 2 (1134474), страница 48

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 48)

Например, при синтезе аммиака возможен процесс м,*+н, и,+н+н ГЛАВА Х1 ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИИ БОЛЪШОЙ ЭНЕРГИИ (РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ) 2 1. Предмет радиационной химии Раздел физической химии, посвященный изучению химических реакций под действием излучений большой энергии, называют радиационной химией.

К числу частиц, вызывающих химические реакции, относятся нейтроны, электроны, положительно и отрицательно заряженные ионы и кванты энергии более 50 эв (рентгеновские и у-лучи)*. Химические реакции, протекающие под действием излучений большой энергии, получили название радиолиза. Хотя впервые действие излучений обнаружили в 1898 г. (Беккерель отметил почернение фотографической пластинки под действием излучения калийуранилсульфата), исследования действия излучений на химические реакции проводились в ограниченных масштабах из-за отсутствия достаточно интенсивных источников таких излучений. Только в последние годы в связи с развитием атомной энергетики начали широко проводить исследования действия излучений большой энергии на вещество; созданы первые промышленные процессы с использованием этих излучений. й 2. Источники излучений Источниками излучений большой энергии, используемыми в радиационной химии, могут служить отходы, получаемые прн работе ядерного реактора.

Г(ри делении каждого ядра тззО образуются два новых ядра с приблизительно равными массами. Эти продукты образуют группу изотопов с массовыми числамн от 72 до 162. Атомы продуктов деления нестабильны; в процессе р-распада идет преврашение одного химического элемента в другой. В ряде случаев образуюшееся после испускания Р-частицы ядро находится в возбужденном состоянии( переход такого ядра в нормальное, или основное состояние, сопровождается излучением одного или нескольких у-квантов. Максимальная энергия р-частиц, испускаемых продуктами деления, равна 8,6 Мзз, энергия у-лучей — 3,8 Мзз, Однако такой энергией обладают в основном недолговечные продукты деления Облучение можно прокзводнть и внутри активной зоны атомного реактора. Около 1Оз(з выделяющейся в реакторе энергии приходится на ()- и у-излучение.

Источввкамн излученпя в реакторах являются: а) продукты распада атомного горючего (расшепляюшегося материала), б) потоки топлива в наружных контурах реакторов, работаюших иа жядком горючем (раствор ураниловых солей — нитратуранила или урзннлсульфата в воде), в) активная зона реактора, Выгруженное твердое горючее также может быть использовано для облучения. * В радиационной химии не рассматривается действие света, энергия кван.

тов которого не превыц~ает 12 зз. б 4. Первичные нроцессы 243, Другими источникчми излучения являются некоторые искусственно полу. чаемые радиоактивные изотопы, в частности ыСо. Такие радиоактивные вещества получаются в ядерных реакторах при облучении нейтронами различных материалов. В зависимости от времени облучения нейтронами, можно цолучить препарат с определенным содержанием изотопа "Со, т. е. препарат определенной активноси. Период полураспада "Со равен 3,3 г.

Энергии т-лучей "Со равны 1,16 и 1,30 Мэз, Кроме того, в качестве излучение высокой энергии можно использовать протоны, дейтоны, гг-частицах ускоренные в специальных ускорителях (циклотрон, генератор Ван-де-Граафа). Пучки быстрых электронов можно получать, используя электронные ускорители цли радиоактивные изотопы некоторых элементов (например, эг5г, 'мСз и др.). Источником квантов больших энергий, кроме уже указанных искусственно получаемых радиоактивных элементов, мо.

тут служить мощные рентгеновские трубки; для получения у-излучений можно также использовать торможение быстрых электронов, полученных в ускорителях (бетатроне, линейном ускорителе электроаов, генераторе Ван-де-Граафа). Источниками нейтронов, кроме атомных реакторов. могут быть радий-бернллиевые и полоний-бериллиевые источники или специальные ускорители нейтронов. й 3.

Отличие радиолиза от фотохимического процесса Так как энергия частиц, применяемых в радиационной химии, во много раз превосходит энергию квантовых уровней валентных электронов веществ — участников химической реакции, та в отличие от фотохимических процессов первичный акт взаимодействия излучений большой энергии с веществом не носит избирательного характера.

Этот первичный акт взаимодействия излучений большой энергии с веществом приводит обычно к ионизацни вещества и возникновению свободных радикалов. Поглощение ионизирую-' щих излучений зависит от порядкового номера поглощающего элемента. Первичные продукты взаимодействия образуются вдоль путей ионизирующих частиц, причем ионизация возрастает к концу пути частиц и зависит от их природы и массы. В фотохимических реакциях вторичные процессы являются в большинстве случаев чисто химическими (реакциями радикалов). В отличие от веществ, получающихся в результате фотохимических реакций, вещества, возникающие под действием радиации большой энергии, подвержены дальнейшему воздействию излучений. Вторичные процессы в радиационно-химических процессах могут быть процессами взаимодействия возникающих в первичном акте электронов, ядер отдачи ити квантов меньшей энергии с веществом.

й 4. Первичные процессы Прохождение всех видов излучений через вещество приводит в итоге к потере энергии частицами и квантами. До тех пор, пока энергия частиц и квантов больше энергии ионизации молекул н атомов, она растрачивается в основном на ионизацию последних, Торможение ш-частиц в веществах обусловлено главным абразом взаимодействием этих частиц с электронами.

Последние за- 244 Глава ХД Химическое дейст. озвучен. боллсаой энергии (радиацион, химия) хватываются о-частицами, в результате чего образуются однозарядные ионы и электронейтральные атомы гелия. Но вследствие огромной скорости движения частицы присоединенные электроны отщепляются, причем процесс этот повторяется многократно.

Одновременно из атомов и молекул поглощающей среды образуются ионы. На один акт образования пары ионов в воздухе п-частица расходует энергию, равную в среднем 34 зв. Электроны, выбиваемые х-частицами из атомов и молекул, обладают большой кинетической энергией и сами могут вызывать ионизацию атомов и молекул. б-Частицы обладают большей проникающей способностью, чем э.-частицы, и гораздо меньшей, чем у-лучи. При движении через вещество р-частицы также выбивают электроны из атомов и молекул, которые превращаются в положительно заряженные ионы.

р-частицы на единице длины своего пути в воздухе образуют я сотни раз меньше пар ионов, чем и-частицы на том же пути. Для практических целей р-излучение можно использовать в том случае, если нужно создать ионизацню только в поверхностном слое облучаемого вещества или осуществить цепную химическую реакцию в газе.

Там, где необходимо, чтобы излучение проникало на большую глубину, например при осуществлении химических реакций в жидких и твердых телах, следует использовать у-л чи. Ь оглощение у-лучей в веществе происходит по одному из трех механизмов. Если энергия у-квантов составляет около 10 кзв (Х = 1,5А), то при взаимодействии фотона с атомом наблюдается фотоэлектрический эффект.

Кинетическая энергия выбитого электрона равна энергии поглощенного фотона за вычетом энергии, необходимой для удаления электрона из атома. Фотон при этом полностью поглощается и, следовательно, такой процесс не изменяет энергию фотонов проходящего пучка, а лишь уменьшает общее число фотоноя. По мере увеличения энергии падающих фотонов существеннуз1) роль начинает играть эффект Комптона.

Фотон сталкивается с атомным электроном и претерпевает упругое рассеяние, при этом энергия падающего кванта распределяется между электроном отдачи и фотоном рассеяния. Возникающий электрон отдачи, в свою очередь, вызывает ионизацию вещества. В случае эффекта Комптона общее число фотонов остается неизменным, хотя энергия их уменьшается (увеличивается длина волны Х) и, кроме того, изменяется направление их движения. Этн рассеянные фотоны также могут вызывать нонизацию вещества.

Вероятность комптоновского взаимодействия зависит от числа электронов, приходящихся на единицу площади поперечного сечения вещества. Если энергия у-квантов больше 1,02 Мзв (Х ( 1О-эА), то более вероятен третий процесс — образование пар. Фотон при этом превращается в пару электрон — позитрон. Так же, как и при фото- б б. Поглощенная доза излучения, Доза излучению Мощность дозы г45 электрическом эффекте, при образовании пар происходит полное исчезновение фотона. Поскольку рентгеновские лучи отличаются от у-квантов только меньшей частотой и соответственно меньшей энергией, об их первичном действии на вещество можно сказать то же самое, что и о у-лучах небольшой энергии.

Нейтроны, проходя через вещество, сталкиваются и взаимодействуют только с ядрами атомов и могут быть поглощены ими, а элемент, таким образом, превращается в изотоп. В результате распада ядер этих изотопов могут образоваться новые элементы. Если нейтрон не захватывается ядром, то он может выбить атом из молекулы. Скорость выбитого атома может быть настолько большой, что он потеряет один или несколько электронов.

При небольших энергиях нейтронов скорость выбитого атома невелика и он сохраняет свою электронную оболочку, хотя она может придти в возбужденное состояние. й 5. Поглощенная доза излучения. Доза излучения. Мощность дозы Изменения, происходящие в облучаемом объекте под воздействием различного рода излучений, зависят от величины энергии, поглощенной облучаемым объектом.

Характеристики

Список файлов книги