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 10^7	5 10^17
Сталь конструкционная	5 10^7	10^19
бетон	5 10^7	10^20-5 10^20
Кремниевые транзисторы	10^3-10^5	3 10^11-10^13
Германиевые транзисторы	10^4-10^6	4 10^12-10^14
Радиолампы	-	10^16

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.