3.2.2. Действие ионизирующих излучений на структуру вещества. Химическое действие ядерных излучений

Энергия заряженных частиц, -квантов, и нейторонов в основном тратится на ионизацию и возбуждение атомов. Ионизации в конечном счете ведет к нагреванию вещества и не вызывает в нем необратимых изменений. Однако заметная доля энергии потока частиц затрачивается на необратимое изменение структуры вещества, которое называется радиационным повреждением.

Радиационные дефекты - устойчивые нарушения правильного расположения атомов или ионов в узлах кристаллической решетки при облучении потоками микрочастиц.

Главным механизмом является ударное выбивание атомов из кристаллической решётки с образованием первичного радиациооного дефекта типа Френкеля (пра вакансия и междуузельный атом). Заряженные частицы и нейтроны выбивают атомы непосредственно, -кванты через промежуточные фотоэлектроны или комптоновские электроны.

Часто появление в решетке новых атомов возникает при внедрении падающих тяжелых частиц и за счет ядерных реакций с распадами продуктов реакций. Такие явления возникают при облучении нейтронами и ионной бомбардировке.

Возникновение -центров окраски происходит. когда в кристалле поваренной соли отрицательный ион хлора теряет два электрона и выскакивает из решетки . Вместо него вакансия заменяется электроном.

Генерация радиационных дефектов меняет свойства материалов: Возникает радиационное распухание - изменение формы и размеров облученных образцов. Изменяются механические свойства - модуль упругости растет, пластическое разрушение сменяется хрупким разрушением. в полупроводниках радиационные дефекты выступают как центры рассеяния носителей заряда и меняют концентрацию и природу основных носителей заряда, т.е. р-n проводимость.

Изменение механических свойств, однородности состава. и геометрических размеров конструкционных материалов ограничивают срок работы ядерных реакторов. Облучение полупроводников сопровождается существенными изменениями параметров полупроводниковых приборов. Все материалы и приборы обладают определенной радиационной стойкостью, которая обязательно учитывается при конструировании. Изменение свойств на 20-30% и минимальные уровни облучения приведены в табл. 3.2.

табл.3.2.

Неорганические материалы	Доза -излучения Грей	Флюенс нейтронов Част/см-2
стекло	5 107	5 1017
Сталь конструкционная	5 107	1019
бетон	5 107	1020-5 1020
Кремниевые транзисторы	103-105	3 1011-1013
Германиевые транзисторы	104-106	4 1012-1014
Радиолампы	-	1016

Химическое действие ядерных излучений

Ядерные излучения могут вызвать в веществах различные химические реакции. Радиационная химия –раздел химии, которая изучает химические процессы происходящие под действием ионизирующих излучений. Механизм радиационно-химических реакций следующий: Поток частиц вызывает в среде возбуждение, ионизацию и диссоциацию молекул. Возникшие возбужденные молекулы и ионы вступают в химическую реакцию непосредственно или через образование свободных радикалов. Энергия ядерных излучений ~Мэв>>энергии потенциальных барьеров и химических связей 1-10 эв. Ядерные излучения образуют химически высокоактивные ионы и радикалы, и осуществляют сильно эндотермические химические реакции с высоким активационным барьером.

В газовой фазе первичные продукты ионы и возбужденные короткоживущие молекулы ~10^-8 сек, реагируя с молекулами среды, и друг с другом, приводят к образованию свободных радикалов, ион-радикалов и стабильных продуктов.

В жидкой фазе в облученной воде и разбавленных водных растворах в результате радиационно-химических реакций образуются гидратированные (в воде) и сольватированные электроны (электроны, захваченные средой в результате поляризации молекул окружающих такие электроны). При радиолизе воды возникает переплетающиеся многоступенчатые реакции и образование радикалы , Н ^-, водород, кислород, перекись водорода и ионы .

В твердых телах с ионным типом связи эффекты облучения обусловлены микродефектами вдоль треков, что приводит к деструкции. В твердых телах с ковалентными связями (в полимерах) происходит отрыв атомов и разрыв главной цепи макромолекулы. В целлюлозе при облучении происходит преимущественно деструкция, в полиэтилене- преимущественно сшивание полимерных молекул.

Биологическое действие излучений

Действие ионизирующих излучений на биомолекулы. клетки, органы, организм в целом

Ядерные излучения оказывают сильное поражающее действие на все живые существа от вирусов и бактерий до млекопитающих.

Первичным действием излучения является ионизация макромолекул нуклеиновых кислот и белков. Существует два механизма повреждения биомолекул:

в прямом механизме ядерная частица непосредственно воздействует на сами макромолекулы, которые поглощают энергию излучения.

В косвенном механизме излучение производит радиолиз воды, продукты которого свободные радикалы ОН^-, Н^-, НО₂, Н_{2 ,}О₂ вступают с химические реакции с макромолекулами. При поглощенной дозе в 1 рад в каждой клетке осуществляются сотни тысяч актов ионизации в клеточных структурах.

Под действием первичных процессов в макромолекулах в клетках возникают функциональные изменения. Некоторые клетки или одноклеточные организмы, например кишечная палочка гибнут от единичного акта ионизации. Внутри клетки ядро и митохондрии гораздо чувствительнее цитоплазмы. Радиационное поражение клетки происходит в три этапа:

физический, с образованием активных центров (ионизированные молекулы и радикалы),

химический, в виде взаимодействия радикалов белков, нуклеиновых кислот с водой, кислородом, биомолекулами с образованием органических перекисей и различных реакций окисления,

биохимический, состоящий в том, что освобожденые ферменты из клеточных органелл проникают через биологические мембраны, в которых увеличена их проницаемость, из-за перекисного окисление липидов, и приводят к распаду нуклеиновых кислот и белков клетки.

Наиболее важные изменения в клетках: повреждение механизма деления и хромосомного аапарата клетки, блокирование процессов обновления и дифференцирования клетки, блокирование процессов размножения клеток и последующей физиологической регенерации тканей.

У человека наиболее чувствительны к облучению кроветворные органы (костный мозг, селезенка, лимфатические железы), эпителий половых желез и слизистая оболочка кишечника.

Кислородный эффект- увеличение поражения макромолекул. клеток и организма в целом в три раза при повышении концентрации кислорода от 0 до 30%.

Лучевая болезнь человека

Лучевая болезнь человека возникает в результате действия на организм человека ионизирующего излучения. В зависимости от характера пространственного распределения дозы различают лучевую болезнь вызванную общим облучением или местным, по распределению дозы во времени –острую и хроническую лучевую болезнь. Развитие лучевой болезни может быть обусловлено внешним облучением или воздействием радионуклидов поступивших внутрь организма. Так йод накапливается в щитовидной железе, плутоний - в легких, стронций в костях.

Острая лучевая болезнь имеет следующие периоды:

Период формирования: фаза первичной реакции, фаза кажущегося благополучия, фаза выраженных клинических изменений, фаза непосредственного восстановления.

Период восстановления 4-8 недель. Период исходов и последствий.

Хроническая лучевая болезнь: