الكيمياء الإشعاعية

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

الكيمياء الإشعاعية فرع من فروع الكيمياء النووية ، وهي تُعنى بدراسة التأثيرات الكيميائية للإشعاع المؤين على المادة. وهي تختلف تمامًا عن الكيمياء الإشعاعية ، إذ لا يشترط وجود نشاط إشعاعي في المادة التي تخضع للتغير الكيميائي بفعل الإشعاع. ومن الأمثلة على ذلك تحويل الماء إلى غاز الهيدروجين وبيروكسيد الهيدروجين .

تفاعلات الإشعاع مع المادة

أثناء انتقال الإشعاع المؤين عبر المادة، تُودع طاقته من خلال تفاعلاته مع إلكترونات المادة الممتصة. [ 1 ] ينتج عن تفاعل الإشعاع مع المادة الممتصة انتزاع إلكترون من ذرة أو رابطة جزيئية لتكوين جذور حرة وجزيئات مثارة. تتفاعل هذه الجذور الحرة فيما بينها أو مع جزيئات أخرى مجاورة. وتُعزى التغيرات الملحوظة بعد تشعيع النظام الكيميائي إلى تفاعلات هذه الجذور الحرة. [ 2 ]

تتفاعل أنواع الإشعاع المشحونة (جسيمات ألفا وبيتا) عبر قوى كولومية بين شحنات الإلكترونات في الوسط الممتص وجسيم الإشعاع المشحون. وتحدث هذه التفاعلات باستمرار على طول مسار الجسيم الساقط حتى تنضب طاقته الحركية بشكل كافٍ. أما الأنواع غير المشحونة (فوتونات غاما، والأشعة السينية) فتخضع لحدث واحد لكل فوتون، حيث تستهلك طاقة الفوتون بالكامل وتؤدي إلى انبعاث إلكترون من ذرة واحدة. [ 3 ] وتتفاعل الإلكترونات ذات الطاقة الكافية مع الوسط الممتص بنفس طريقة تفاعل إشعاع بيتا.

يُعدّ معدل نقل الطاقة الخطي ( LET ) عاملاً هاماً يميز أنواع الإشعاع المختلفة ، وهو معدل فقدان الإشعاع للطاقة مع المسافة التي يقطعها عبر المادة الماصة. عادةً ما تكون الجسيمات ذات معدل نقل الطاقة الخطي المنخفض ذات كتلة منخفضة، إما فوتونات أو جسيمات ذات كتلة إلكترونية ( جسيمات بيتا ، بوزيترونات )، وتتفاعل بشكل متفرق على طول مسارها عبر المادة الماصة، مما يؤدي إلى مناطق معزولة من أنواع الجذور الحرة النشطة. أما الجسيمات ذات معدل نقل الطاقة الخطي المرتفع، فعادةً ما تكون كتلتها أكبر من كتلة إلكترون واحد، [ 4 ] مثل جسيمات ألفا، وتفقد الطاقة بسرعة، مما ينتج عنه مجموعة من أحداث التأين متقاربة. ونتيجةً لذلك، يقطع الجسيم الثقيل مسافة قصيرة نسبياً من مصدره.

تُعرف المناطق التي تحتوي على تركيز عالٍ من الأنواع التفاعلية بعد امتصاص الطاقة من الإشعاع باسم النتوءات . في وسط مُشعّع بإشعاع ذي نقل طاقة خطي منخفض، تتوزع النتوءات بشكل متفرق على طول المسار ولا تتفاعل فيما بينها. أما في حالة الإشعاع ذي نقل الطاقة الخطي العالي، فيمكن أن تتداخل النتوءات، مما يسمح بحدوث تفاعلات بينها، ويؤدي إلى اختلاف في نواتج التفاعل مقارنةً بالوسط نفسه المُشعّع بنفس طاقة الإشعاع ذي نقل الطاقة الخطي المنخفض. [ 5 ]

اختزال المواد العضوية بواسطة الإلكترونات المذابة

من المجالات البحثية الحديثة تدمير المركبات العضوية السامة بالإشعاع؛ [ 6 ] فبعد الإشعاع، تُزال ذرات الكلور من " الديوكسينات " (ثنائي بنزو-بارا- ديوكسينات متعدد الكلور ) بنفس طريقة تحويل ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs) إلى ثنائي الفينيل وكلوريد غير عضوي. ويعود ذلك إلى تفاعل الإلكترونات المذابة مع المركب العضوي لتكوين أنيون جذري ، والذي يتحلل بفقدان أنيون الكلوريد . عند تعريض خليط منزوع الأكسجين من ثنائي الفينيل متعدد الكلور في الإيزوبروبانول أو الزيت المعدني لأشعة غاما ، تُزال ذرات الكلور من ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتكوين كلوريد غير عضوي وثنائي الفينيل . ويكون التفاعل أكثر فعالية في الإيزوبروبانول عند إضافة هيدروكسيد البوتاسيوم ( البوتاس الكاوي ). تقوم القاعدة بنزع بروتون جذر هيدروكسي ثنائي ميثيل ميثيل ليتحول إلى أسيتون وإلكترون مذاب، ونتيجة لذلك، يمكن زيادة قيمة G (الناتج لطاقة معينة بسبب الإشعاع المترسب في النظام) للكلوريد لأن الإشعاع يبدأ الآن تفاعلًا متسلسلًا، حيث يمكن لكل إلكترون مذاب يتكون بفعل أشعة جاما أن يحول أكثر من جزيء واحد من ثنائي الفينيل متعدد الكلور. [ 7 ] [ 8 ] في حال وجود الأكسجين أو الأسيتون أو أكسيد النيتروز أو سداسي فلوريد الكبريت أو النيتروبنزين [ 9 ] في الخليط، فإن معدل التفاعل ينخفض. وقد أُجريت هذه الدراسة مؤخرًا في الولايات المتحدة، غالبًا باستخدام الوقود النووي المستهلك كمصدر للإشعاع. [ 10 ] [ 11 ]

إضافةً إلى العمل على تدمير كلوريدات الأريل، فقد ثبت أن مركبات الكلور والبروم الأليفاتية ، مثل بيركلوروإيثيلين [ 12 ] ، والفريون (1،1،2-ثلاثي كلورو-1،2،2-ثلاثي فلوروإيثان)، والهالون-2402 (1،2-ثنائي برومو-1،1،2،2-رباعي فلوروإيثان)، يمكن إزالة الهالوجين منها بفعل الإشعاع على محاليل الأيزوبروبانول القلوية. وقد تم الإبلاغ عن حدوث تفاعل متسلسل. [ 13 ]

إضافةً إلى الدراسات التي تناولت اختزال المركبات العضوية بالإشعاع، نُشرت بعض الدراسات حول أكسدة المركبات العضوية بفعل الإشعاع. فعلى سبيل المثال، استُخدم بيروكسيد الهيدروجين المشع (المُتكون بالإشعاع) لإزالة الكبريت من الفحم . وقد وُجد في هذه الدراسة أن إضافة ثاني أكسيد المنغنيز إلى الفحم زادت من معدل إزالة الكبريت. [ 14 ] كما نُشرت دراسات حول تحلل النيتروبنزين في الماء في كلٍ من ظروف الاختزال والأكسدة. [ 15 ]

اختزال المركبات المعدنية

بالإضافة إلى اختزال المركبات العضوية بواسطة الإلكترونات المذابة، فقد أُفيد أنه عند تشعيع محلول بيرتكنيتات عند درجة حموضة 4.1، يتحول إلى غرواني من ثاني أكسيد التكنيتيوم. وعند تشعيع محلول عند درجة حموضة 1.8، تتشكل معقدات Tc(IV) قابلة للذوبان. أما عند تشعيع محلول عند درجة حموضة 2.7، فيتكون مزيج من الغرواني ومركبات Tc(IV) القابلة للذوبان. [ 16 ] وقد استُخدم تشعيع غاما في تصنيع جسيمات نانوية من الذهب على أكسيد الحديد (Fe₂O₃ ) . [ 17 ]

لقد ثبت أن تشعيع المحاليل المائية لمركبات الرصاص يؤدي إلى تكوين الرصاص العنصري. وعند وجود مادة صلبة غير عضوية مثل البنتونيت وفورمات الصوديوم، يُزال الرصاص من المحلول المائي. [ 18 ]

تعديل البوليمر

يستخدم مجال رئيسي آخر كيمياء الإشعاع لتعديل البوليمرات. فباستخدام الإشعاع، يُمكن تحويل المونومرات إلى بوليمرات ، وربط البوليمرات ببعضها، وكسر سلاسلها. [ 19 ] [ 20 ] ويمكن معالجة البوليمرات المصنعة والطبيعية (مثل الكربوهيدرات [ 21 ] ) بهذه الطريقة.

كيمياء الماء

يرتبط كل من التأثيرات الضارة للإشعاع على الأنظمة البيولوجية (تحفيز السرطان والإصابات الإشعاعية الحادة ) والفوائد العلاجية الإشعاعية بتفاعلات الماء مع الإشعاع. توجد الغالبية العظمى من الجزيئات البيولوجية في وسط مائي؛ فعندما يتعرض الماء للإشعاع، يمتص الطاقة، مما يؤدي إلى تكوين أنواع كيميائية نشطة قادرة على التفاعل مع المواد المذابة . يتأين الماء مكونًا إلكترونًا مذابًا وأيون H₂O⁺ ، ويمكن لأيون H₂O⁺ أن يتفاعل مع الماء لتكوين بروتون مائي (H₃O⁺ ) وجذر هيدروكسيل (HO • ) . علاوة على ذلك ، يمكن للإلكترون المذاب أن يتحد مع أيون H₂O⁺ لتكوين حالة مثارة للماء. ثم تتحلل هذه الحالة المثارة إلى أنواع مثل جذور الهيدروكسيل ( HO • ) وذرات الهيدروجين (H • ) وذرات الأكسجين (O • ). أخيرًا، يمكن للإلكترون المذاب أن يتفاعل مع المواد المذابة، مثل البروتونات المذابة أو جزيئات الأكسجين، لتكوين ذرات الهيدروجين وأنيونات جذور الأكسجين، على التوالي. ولعلّ تأثير الأكسجين على كيمياء الإشعاع أحد أسباب حساسية الأنسجة المؤكسجة للإشعاع أكثر من الأنسجة غير المؤكسجة في مركز الورم. تُعدّل الجذور الحرة، مثل جذر الهيدروكسيل، الجزيئات الحيوية كيميائيًا، كالحمض النووي (DNA) ، مما يؤدي إلى تلفها، مثل حدوث كسور في سلاسل الحمض النووي. ويمكن لبعض المواد أن تحمي من التلف الناتج عن الإشعاع من خلال التفاعل مع الأنواع النشطة المتولدة عن تشعيع الماء.

يمكن للأنواع التفاعلية الناتجة عن الإشعاع أن تشارك في تفاعلات لاحقة ؛ وهذا مشابه لفكرة التفاعلات غير الكهروكيميائية التي تلي الحدث الكهروكيميائي الذي يُلاحظ في الفولتامترية الدورية عند حدوث حدث غير قابل للانعكاس. على سبيل المثال، يخضع جذر SF5 المتكون من تفاعل الإلكترونات المذابة مع SF6 لتفاعلات أخرى تؤدي إلى تكوين فلوريد الهيدروجين وحمض الكبريتيك . [ 22 ]

في الماء، يمكن أن يؤدي تفاعل التضاعف لجذور الهيدروكسيل إلى تكوين بيروكسيد الهيدروجين ، بينما في الأنظمة الملحية، يؤدي تفاعل جذور الهيدروكسيل مع أنيونات الكلوريد إلى تكوين أنيونات الهيبوكلوريت .

يُعزى تكوين الهيدروجين، الذي تحوله البكتيريا إلى غاز الميثان ، إلى تأثير الإشعاع على المياه الجوفية . [ 23 ] [ 24 ]

معدات

الكيمياء الإشعاعية المطبقة في معدات المعالجة الصناعية

لمعالجة المواد، يمكن استخدام مصدر أشعة غاما أو شعاع إلكتروني. يُعد جهاز التشعيع الدولي من النوع الرابع ( للتخزين الرطب ) تصميمًا شائعًا، ومن بين أجهزة التعقيم بأشعة غاما JS6300 وJS6500 (من إنتاج شركة "نورديون إنترناشونال").تُعدّ شركة (التي كانت تُعرف سابقًا باسم "الطاقة الذرية الكندية المحدودة") مثالًا نموذجيًا. [ 25 ] في هذه المحطات الإشعاعية، يُخزّن المصدر في بئر عميقة مملوءة بالماء عند عدم استخدامه. وعند الحاجة إليه، يُنقل بواسطة سلك فولاذي إلى غرفة الإشعاع حيث توجد المنتجات المراد معالجتها؛ وتُوضع هذه المنتجات داخل صناديق تُنقل عبر الغرفة بواسطة آلية أوتوماتيكية. ومن خلال نقل الصناديق من نقطة إلى أخرى، تُعطى محتوياتها جرعة متجانسة. وبعد المعالجة، تُنقل المنتجات بواسطة الآلية الأوتوماتيكية خارج الغرفة. تتميز غرفة الإشعاع بجدران خرسانية سميكة جدًا (حوالي 3 أمتار) لمنع تسرب أشعة جاما. ويتكون المصدر من 60 قضيبًا من الكوبالت مُغلّفة بطبقتين من الفولاذ المقاوم للصدأ. وتُدمج هذه القضبان مع قضبان وهمية خاملة لتشكيل حامل بنشاط إشعاعي إجمالي يبلغ حوالي 12.6 بيتابيكريل (340 كيلوكوري).

معدات البحث

على الرغم من إمكانية إجراء بعض أنواع الأبحاث باستخدام جهاز تشعيع مشابه لجهاز التعقيم بأشعة غاما، إلا أنه من الشائع في بعض المجالات العلمية استخدام تجربة تعتمد على تحليل زمني دقيق، حيث تُعرَّض المادة لنبضة إشعاعية (عادةً إلكترونات من مُسرِّع خطي ). بعد النبضة الإشعاعية، يُقاس تركيز المواد المختلفة داخل المادة باستخدام مطيافية الانبعاث أو مطيافية الامتصاص ، ومن ثم تحديد معدلات التفاعلات. يسمح هذا بقياس القدرة النسبية للمواد على التفاعل مع الأنواع النشطة الناتجة عن تأثير الإشعاع على المذيب (عادةً الماء). تُعرف هذه التجربة باسم التحليل الإشعاعي النبضي [ 26 ] ، وهي وثيقة الصلة بالتحليل الضوئي الوميضي .

في التجربة الأخيرة، تُثار العينة بنبضة ضوئية لدراسة اضمحلال الحالات المثارة باستخدام التحليل الطيفي ؛ [ 27 ] وفي بعض الأحيان، يمكن دراسة تكوين مركبات جديدة. [ 28 ] وقد أدت تجارب التحليل الضوئي الوميضي إلى فهم أفضل لتأثيرات المركبات المحتوية على الهالوجينات على طبقة الأوزون . [ 29 ]

المستشعر الكيميائي

المستشعر الكيميائي SAW [ 30 ] غير أيوني وغير انتقائي. يقيس مباشرةً الكتلة الإجمالية لكل مركب كيميائي عند خروجه من عمود كروماتوغرافيا الغاز وتكثفه على سطح البلورة، مما يُحدث تغييرًا في التردد الصوتي الأساسي للبلورة. يُقاس تركيز الرائحة مباشرةً باستخدام هذا النوع من الكواشف التكاملية. يُحسب تدفق العمود بواسطة معالج دقيق يقوم بحساب مشتق تردد SAW باستمرار .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ جيه دبليو تي سبينكس. آر جيه وودز: مقدمة في كيمياء الإشعاع، الطبعة الثالثة، جون وايلي وأولاده، نيويورك، تورنتو 1990. رقم ISBN 0-471-61403-3
  2. ↑ تيرنر، جيه إي. الذرات والإشعاع والحماية من الإشعاع. الولايات المتحدة: دار بيرغامون للنشر، إلمسفورد، نيويورك، 1986. مطبوع
  3. ↑ بيجلو، آر إيه تفاعلات الإشعاع في المادة.
  4. ↑ أساسيات الإشعاع، وعلم الأحياء، والحماية، إس. فورشير، سينجايج ليرنينج، 22 يوليو 2008، ص 46
  5. ↑ سيمون م. بيمبلوت، جاي أ. لافيرن، مجلة الكيمياء الفيزيائية، 1994، 98 (24)، ص 6136-6143، doi : 10.1021/j100075a016 ، تاريخ النشر: يونيو 1994
  6. ↑ تشاو سي وآخرون (2007) فيزياء وكيمياء الإشعاع ، 76 : 37-45
  7. ↑ أجيت سينغ ووالتر كريمرز، فيزياء وكيمياء الإشعاع ، 2002، 65 (4-5)، 467-472
  8. ↑ بروس ج. مينشر، ريتشارد ر. بري، رينيه ج. رودريغيز، سكوت بريستوبا وآرون روتر، فيزياء وكيمياء الإشعاع ، 2002، 65 (4-5)، 461-465
  9. ↑ AG Bedekar، Z. Czerwik و J. Kroh، "التحليل الإشعاعي النبضي لزجاج الإيثيلين جلايكول و1،3-بروبانيديول - الجزء الثاني: حركية اضمحلال الإلكترون المحصور"، 1990، 36 ، 739-742
  10. ↑ قاعدة بيانات الاستشهادات في مجال الطاقة (ECD) - - الوثيقة رقم 10116942
  11. ↑ عملية استخلاص المذيبات للتحليل الإشعاعي وإزالة الهالوجين من المركبات العضوية المهلجنة في التربة والحمأة والرواسب والملاط - براءة اختراع أمريكية رقم 6132561، مؤرشفة بتاريخ 11 مارس 2007 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
  12. ^ V. Múka، *، R. Silber، M. Pospíil، V. Kliský and B. Bartoníek، فيزياء الإشعاع والكيمياء ، 1999، 55 (1)، 93-97
  13. ^ سيكو ناكاجاوا وتوشيناري شيموكاوا، فيزياء وكيمياء الإشعاع ، 2002، 63 (2)، 151-156
  14. ↑ PSM Tripathi، KK Mishra، RRP Roy و DN Tewari، "إزالة الكبريت بالتحليل الإشعاعي لأشعة غاما لبعض أنواع الفحم الهندي عالي الكبريت المعزز تحفيزيًا بواسطة MnO2"، تكنولوجيا معالجة الوقود ، 2001، 70 ، 77-96
  15. ↑ شاو-هونغ فنغ، شو-جوان تشانغ، هان-تشينغ يو، وتشيان-رونغ لي، "التحلل الإشعاعي للنيتروبنزين في المحاليل المائية"، رسائل الكيمياء ، 2003، 32 (8)، 718
  16. ↑ تي. سيكين، إتش. ناروشيما، تي. سوزوكي، تي. تاكاياما، إتش. كودو، إم. لين، واي. كاتسومورا، الغرويات والأسطح أ: الجوانب الفيزيائية والكيميائية والهندسية ، 2004، 249 (1-3)، 105-109
  17. ↑ ساتوشي سينو، تاكويا كينوشيتا، يوهي أوتومي، كينجي أوكيتسو، تاكاشي ناكاغاوا، وتاكاو أ. ياماموتو، "جسيم نانوي مركب مغناطيسي من Au/γ-Fe2O3 تم تصنيعه بواسطة تشعيع أشعة غاما"، رسائل الكيمياء ، 2003، 32 (8)، 690
  18. ↑ م. بوسبيشيل، ف. تشوبا، ف. موتشكا، وب. درتينوفا، "إزالة الرصاص بالإشعاع من المحاليل المائية - تأثيرات مختلف المواد الماصة وأكسيد النيتروز"، فيزياء وكيمياء الإشعاع ، 2006، 75 ، 403-407
  19. ↑ قاعدة بيانات الاستشهادات في مجال الطاقة (ECD) - - الوثيقة رقم 7313004
  20. ↑ تقرير الوكالة الدولية للطاقة الذرية - تكوين الهيدروجيلات بالإشعاع للتطبيقات الطبية الحيوية؛ استخدام تقنية الإشعاع - آلية التشابك الإشعاعي للبوليمرات في المحلول المائي. مؤرشف بتاريخ 26 أبريل 2007 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
  21. ↑ IAEA-TECDOC-1422
  22. ↑ ك. د. أسموس وج. هـ. فيندلر، "تفاعل سداسي فلوريد الكبريت مع الإلكترونات المذابة"، مجلة الكيمياء الفيزيائية ، 1968، 72 ، 4285-4289
  23. ↑ شابيل، فرانسيس هـ.؛ أونيل، كاثلين؛ برادلي، بول م.؛ ميثي، باربرا أ.؛ سيوفو، ستايسي أ.؛ نوبل، ليروي ل.؛ لوفلي، ديريك ر. (2002). "مجتمع ميكروبي تحت سطحي قائم على الهيدروجين تهيمن عليه الميثانوجينات". مجلة نيتشر . 415 (6869): 312-315 . Bibcode : 2002Natur.415..312C . doi : 10.1038/415312a . PMID 11797006. S2CID 4327881 .  
  24. ↑ لين، لي-هونغ؛ سلاتر، غريغ ف.؛ شيروود لولار، باربرا؛ لاكرامب-كولوم، جورج؛ أونستوت، تي سي (2005). "مردود وتركيب نظائر الهيدروجين الناتج عن التحلل الإشعاعي ، مصدر طاقة محتمل للمحيط الحيوي في باطن الأرض" (ملف PDF) . مجلة Geochimica et Cosmochimica Acta . 69 (4): 893–903 . Bibcode : 2005GeCoA..69..893L . doi : 10.1016/j.gca.2004.07.032 . hdl : 1912/659 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 17-06-2010.
  25. ↑ تمت مناقشة خصائص التصميم فيتقرير الوكالة الدولية للطاقة الذرية حول حادثة خطأ بشري في محطة تشعيع من هذا النوع
  26. ↑ "العلاج الإشعاعي النبضي" . dur.ac.uk. 2007-03-28. مؤرشف من الأصل في 2007-03-28.
  27. ↑ هانلي، لوك. "التحلل الضوئي السريع للبنزوفينون" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 20-07-2011.
  28. ↑ بورتر، جورج (11 ديسمبر 1967). "التحليل الضوئي الوميضي وبعض تطبيقاته (محاضرة نوبل)" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 8 أكتوبر 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 أغسطس 2022 .
  29. ↑ ر. إي. هوي؛ ب. لازلو؛ م. ج. كوريلو؛ وآخرون (1995). الكيمياء الجوية لأحادي أكسيد اليود (ملف PDF) . المؤتمر الفني لخيارات الهالون . تاريخ الاسترجاع: 19 أبريل 2012 . 
  30. ↑ يُعدّ Abnormal Chemosensory Jump 6 مُنظِّمًا نسخياً إيجابياً لموقع الجين الكوليني في الخلايا العصبية الشمية لذباب الفاكهة - لي وسالفاتيرا 22 (13): 5291 - مجلة علم الأعصاب