БСЭ. Большая Советская Энциклопедия (РА)

  Лит.:Справочник конструктора печей прокатного производства, под ред. В. М. Тымчака, т. 1, М., 1970, с. 411-14.

Радиационная труба: а - U-образная; б - W-образная; г - P-образная; 1 - подвод холодного воздуха; 2 - отвод продуктов сгорания; 3 - рекуператор; 4 - стена печи; 5 - ветвь трубы; 6 - горелка; 7 - подвод газа; 8 - патрубок подогретого воздуха.

Радиационная химия

Радиацио'нная хи'мия,область химии, охватывающая химические процессы, вызываемые действием на вещество. Ионизирующей способностью обладают как электромагнитные излучения (рентгеновские лучи, g-лучи, коротковолновое излучение оптических частот), так и быстрые заряженные частицы (электроны, протоны, a-частицы, осколки тяжёлых ядер и др.), энергия которых превышает атомов или молекул (обычно имеющий величину 10-15 эв). Возникновение химических реакций под действием ионизирующих излучений обусловлено их способностью ионизировать и возбуждать молекулы вещества.

  История Р. х.Способность ионизирующих излучений вызывать химические реакции была обнаружена вскоре после открытия .Первые эксперименты, показавшие наличие химических эффектов при действии излучений радиоактивных элементов, относятся к началу 20 в. Как самостоятельная область науки Р. х. начала складываться позже, в 40-х гг., в связи с созданием и промышленного производства т. н. делящихся элементов (плутоний и др.). С развитием этой области техники возникла необходимость изучения различных сопутствующих химических эффектов. К ним относятся воды, превращения в растворах радиоактивных веществ, изменения в различных материалах, применяемых в атомной технике, реакции газов - компонентов воздуха (Na, O ₂, CO ₂) и т.д. В связи с действием ионизирующих излучений на организмы возникла необходимость в детальном исследовании радиационно-химических превращений в .

 С течением времени стало выясняться, что ионизирующие излучения могут быть использованы направленно, для осуществления полезных химических процессов. Были предприняты широкие исследования стимулирования ионизирующими излучениями различных и начато детальное изучение их характерных закономерностей.

  Физические основы Р. х.Было установлено, что, проходя через вещество, g-квант или быстрые частицы (a-частицы, электроны, протоны и др.) выбивают электроны из молекул, т. е. вызывают их ионизацию или возбуждение, если порция передаваемой им энергии меньше энергии ионизации. В результате на пути быстрой частицы возникает большое количество электрически заряженных - ионы, ионы-радикалы - или нейтральных - атомы, радикалы (см. ) -осколков молекул, образующих т. н. трек. Выбитые из молекул электроны, обладающие меньшей энергией («вторичные» электроны), разлетаясь в стороны, в свою очередь, производят аналогичное действие, только на более коротком расстоянии (соответствующем их энергии). В результате трек первичной быстрой частицы разветвляется вследствие образования более коротких областей ионизации и возбуждения. При достаточной плотности облучения треки перекрываются и первоначальная неоднородность в пространственном распределении активированных и осколочных частиц нивелируется. Этому способствует также диффузия частиц из треков в незатронутую излучением среду.

  Процессы, происходящие в облучаемой среде, можно разделить на три основные стадии. В первичной, физической стадии происходят столкновения быстрой заряженной частицы с молекулами среды, в результате которых кинетическая энергия частицы передаётся молекулам, что приводит к изменению их энергетического состояния. На этой стадии энергия, передаваемая среде, рассредоточивается по различным молекулярным (атомным) уровням. В результате возникает большое число «активированных» молекул, находящихся в различных состояниях возбуждения. Первичная стадия проходит в очень короткие отрезки времени: 10 ^-15-10 ^-12 сек.В созданном возбуждённом состоянии молекулы нестабильны, и происходит либо их распад, либо они вступают во взаимодействие с окружающими молекулами. В результате образуются ионы, атомы и радикалы, т. е. промежуточные частицы радиационно-химических реакций. Эта, вторая, стадия продолжается 10 ^-13-10 ^-11 сек.На третьей стадии (собственно химической) образовавшиеся активные частицы взаимодействуют с окружающими молекулами или друг с другом. На этой стадии образуются конечные продукты радиационно-химической реакции. Длительность третьей стадии зависит от активности промежуточных частиц и свойств среды и может составлять 10 ^-11-10 ^-6 сек.

 «Вторичные» электроны, затрачивая свою кинетическую энергию на ионизацию (возбуждение) молекул, постепенно замедляются до скорости, соответствующей тепловой энергии. В жидкой среде такое их замедление происходит в течение 10 ^-13-10 ^-12 сек, после чего они захватываются либо одной молекулой, образуя отрицательно заряженный ион, либо группой молекул («сольватируются»). Такие «сольватированные» электроны «живут» в течение 10 ^-8-10 ^-5 сек(в зависимости от свойств среды и условий), после чего рекомбинируют с какими-либо положительно заряженными частицами. Совокупность закономерностей перечисленных элементарных процессов является важной составной частью теории Р. х. Кроме того, реакциям возбужденных молекул принадлежит значительная роль в радиационно-химических процессах. Большое значение для протекания последних имеет также передача энергии возбуждения в облучаемой среде, приводящая к дезактивации возбуждённых молекул и рассеянию энергии. Такие процессы изучает фотохимия, которая тем самым тесно связана с Р. х.

  Радиационно-химические превращения.Реакции активных частиц с молекулами отличаются от реакций невозбуждённых молекул друг с другом. В большинстве своём молекулы довольно устойчивы и для осуществления реакции между ними при соударениях необходимо сообщить им некоторую избыточную энергию, которая позволяет им преодолеть т. н. энергетический барьер реакции (см. ). Обычно эта избыточная энергия сообщается молекулам посредством повышения температуры среды. Для реакций активных частиц между собой или с молекулами энергетический барьер очень мал. Особенно эффективно протекают реакции с рекомбинацией электронов и положительных ионов (см. ионов и электронов), атомов и радикалов друг с другом, а также реакции положительных ионов с молекулами (ионно-молекулярные реакции). В ряде случаев является эффективным т. н. диссоциативный захват электронов молекулой, при котором она распадается на радикал и отрицательный ион. Эти элементарные процессы либо приводят к распаду молекул или крупных ионов, либо к образованию молекул новых веществ. Реакции радикалов с молекулами требуют преодоления относительно небольшого энергетического барьера в 5-10 ккал/ моль(21-42 кдж/ моль). Вследствие этого радиационно-химические реакции протекают быстро даже при очень низких температурах (ниже -200 °С); в отличие от обычных реакций их скорость слабо зависит от температуры.

  Протекание радиационно-химических реакций зависит от агрегатного состояния вещества. Обычно в газовой фазе эти реакции происходят с большим выходом, чем в конденсированных фазах (жидкой и твёрдой). Это обусловлено главным образом более быстрым рассеянием энергии в конденсированной среде. Если эти реакции обратимы, т. е. могут происходить как в прямом, так и в обратном направлениях, то с течением времени скорости реакций в обоих направлениях сравниваются и устанавливается т. н. стационарное состояние, при котором не происходит видимых химических изменений в облучаемой среде. Химический состав в таком стационарном состоянии существенно отличается от состава, устанавливающегося при , и стационарные концентрации продуктов реакции могут намного превосходить их равновесные концентрации, соответствующие данной температуре. Например, стационарные концентрации окислов азота, образующихся при облучении смеси азота с кислородом (или воздуха) при комнатной температуре, в тысячи раз превосходят концентрации, которые устанавливаются в условиях термического химического равновесия при данной температуре. Поглощённая веществом энергия излучения обычно не полностью используется для осуществления химического процесса. Значительная её часть рассеивается и постепенно переходит в тепло. Эффективность химического действия излучений обычно характеризуют величиной радиационно-химического выхода (обозначается G), представляющей собой число превратившихся (или образовавшихся) молекул вещества на 100 эвпоглощённой средой энергии. Для обычных реакций величина Gлежит в пределах от 1 до 20 молекул. Для она может достигать десятков тысяч молекул. Количество энергии, поглощённой веществом, называется поглощённой дозой, измеряемой в (или ). Радиационно-химические реакции имеют самый разнообразный характер. Простейшие из них происходят в воздушной среде под действием космических излучений или излучений радиоактивных элементов. При действии ионизирующих излучений на воздух происходят химические процессы, например: из кислорода образуется озон, азот вступает в реакцию с кислородом и образуются различные окислы азота, углекислый газ разлагается с образованием окиси углерода. В др. случаях происходит разложение химических соединений на простые вещества: вода разлагается на водород и кислород, аммиак - на водород и азот, перекись водорода - на кислород и воду и т.п. Способность ионизирующих излучений вызывать химические реакции при сравнительно низких температурах позволяет осуществлять ряд практически важных процессов, например окисление углеводородов кислородом воздуха, приводящее к образованию веществ, входящих в состав смазочных масел, моющих средств.

  Один из наиболее интересных процессов, инициируемых ионизирующими излучениями, - полимеризация органических мономеров, приводящая к образованию разнообразных полимеров. Многие из них обладают ценными свойствами, которые не приобретаются при других методах синтеза (например, большим молекулярным весом). При действии радиации на в них могут происходить процессы, приводящие к улучшению их физико-химических свойств, в том числе термической стойкости.

  Для осуществления радиационно-химических процессов применяются различные источники ионизирующих излучений. Одним из наиболее распространённых является радиоактивный кобальт, излучающий g-лучи с энергией свыше 1 Мэв.Широкое применение получают ускорители электронов, которые имеют значительные удобства для практического применения благодаря высокой интенсивности излучения и возможности управления ими. Разработаны также способы непосредственного использования излучений ядерных реакторов для осуществления радиационно-химических процессов.

  Современное развитие Р. х. тесно связано с рядом областей науки и техники. К ним относятся и атомная энергетика (см. ), космические исследования и др. Многие проблемы перед Р. х. выдвигает биология, медицина. Ряд фундаментальных вопросов теории и многие практические аспекты Р. х. разработаны советскими учёными.

  Лит.:Верещинский И. В., Пикаев А. К., Введение в радиационную химию, М., 1963; Пшежецкий С. Я., Механизм и кинетика радиационно-химических реакций, 2 изд., М., 1968; ЭПР свободных радикалов в радиационной химии, М., 1972; Чарлзби А., Ядерные излучения и полимеры, пер. с англ., М., 1962; Своллоу А., Радиационная химия органических соединений, пер. с англ., М., 1963.

  С. Я. Пшежецкий.

Радиационное давление

Радиацио'нное давле'ниев акустике, то же, что давление звукового излучения. См. .

Радиационное трение

Радиацио'нное тре'ние,то же, что .

Радиационно-химические процессы

Радиацио'нно-хими'ческие проце'ссы,технологические процессы, в которых для изменения химических или физических свойств системы используются .Наблюдаемые при проведении Р.-х. п. эффекты являются следствием образования и последующих реакций промежуточных частиц (ионов, возбуждённых молекул и радикалов), возникающих при облучении исходной системы. Количественно эффективность Р.-х. п. характеризуется радиационно-химическим выходом G(см. ). В цепных Р.-х. п. (величина G от 10 ³до 10 ⁶) излучение играет роль инициатора. В ряде случаев такое инициирование даёт значительные технологические и экономические преимущества, в том числе лучшую направленность процесса и возможность осуществления его при более низких температурах, а также возможность получения особо чистых продуктов. В нецепных Р.-х. п. энергия излучения расходуется непосредственно для осуществления самого акта превращения. Такие процессы связаны с большими затратами энергии излучения и имеют ограниченное применение.

  К числу интенсивно изучаемых и практически реализуемых цепных Р.-х. п. относятся различные процессы , , а также синтеза ряда низкомолекулярных соединений. Р.-х. п. полимеризации этилена, триоксана, фторолефинов, акриламида, стирола и некоторых др. мономеров были в начале 1970-х гг. разработаны до стадии создания опытных или опытно-промышленных установок. Важное практическое значение приобрели радиационные методы отверждения связующих (полиэфирных и др.) в производстве стеклопластиков и получении лакокрасочных покрытий на металлических, деревянных и пластмассовых изделиях. Значительный интерес представляют Р.-х. п. прививочной полимеризации. В этих процессах исходные полимерные или неорганические материалы различного назначения облучаются в присутствии соответствующих мономеров. В результате поверхности этих материалов приобретают новые свойства, в некоторых случаях уникальные. Р.-х. п. этого типа практически применяются и для модифицирования нитей, тканей, плёнок и минеральных материалов. Большой интерес представляют также Р.-х. п. модифицирования пористых материалов (древесины, бетона, туфа и т.д.) путём пропитки их мономерами (метилметакрилатом, стиролом и др.) и последующей полимеризации этих мономеров с помощью g-излучения. Такая обработка значительно улучшает эксплуатационные свойства исходных пористых тел и позволяет получить широкий ассортимент новых строительных и конструкционных материалов. В частности, заметных масштабов достигло производство паркета из модифицированной древесины. Цепные Р.-х. п. осуществляются также с целью синтеза низкомолекулярных продуктов. Установлена высокая эффективность Р.-х. п. окисления, галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления.

  Из процессов, в которых излучение инициирует нецепные реакции, широкое распространение получили Р.-х. п. «сшивания» отдельных макромолекул при облучении высокомолекулярного соединения. В результате «сшивания» (например, полиэтилена) происходит повышение его термостойкости и прочности, а для каучуков радиационное «сшивание» обеспечивает их вулканизацию. На этой основе разработаны Р.-х. п. производства упрочнённых и термостойких полимерных плёнок, кабельной изоляции, труб, вулканизации резинотехнических изделий и др. Особенно интересным является «эффект памяти» облученного полиэтилена. Если облученное изделие из полиэтилена деформировать при температурах выше t _пламорфной фазы полимера, то при последующем охлаждении оно сохранит приданную форму. Однако повторное нагревание возвращает первоначальную форму. Этот эффект даёт возможность получать термоусаживаемые упаковочные плёнки и электроизоляционные трубки.

  Для осуществления химического синтеза было предложено (1956) использовать осколки деления ядер ²³⁵U, возникающие в активной зоне ядерного реактора. Эти процессы были названы хемоядерными. Исследования и технологические расчёты показали, что принципиальных препятствий для реализации таких процессов нет. Однако технические трудности, состоящие главным образом в создании систем очистки продуктов от неизбежных в этом случае радиоактивных загрязнений, не позволили пока приступить к сооружению хотя бы опытно-промышленных хемоядерных установок.

  Разработка промышленных Р.-х. п. привела к возникновению радиационно-химической технологии, главная задача которой - создание методов и устройств для экономичного осуществления Р.-х. п. в промышленном масштабе. Основным разделом радиационно-химической технологии является радиационно-химическое аппаратостроение, теоретические основы которого созданы во многом трудами сов. учёных.

  Для проведения Р.-х. п. используются изотопные источники g-излучения, ускорители электронов с энергиями от 0,3 до 10 Мэви ядерные реакторы. В современных изотопных источниках чаще всего используется ⁶⁰Co. Перспективными источниками g-излучения считаются и радиационные контуры при ядерных реакторах, состоящие из генератора активности, облучателя радиационной установки, а также соединяющих их коммуникаций и устройств для перемещения по контуру рабочего вещества. В результате захвата нейтронов в генераторе, расположенном в активной зоне ядерного реактора или вблизи от неё, рабочее вещество активизируется, а g-излучение образовавшихся изотопов используется затем в облучателе для проведения Р.-х. п. Накопленный в СССР опыт позволяет создать промышленные радиационные контуры мощностью в несколько сотен квт.

 Для облучения сравнительно тонких слоев материала наиболее эффективным оказывается применение ускоренных электронов, обеспечивающее ряд преимуществ: высокие мощности доз, лучшие для обслуживающего персонала условия , отсутствие в выключенном состоянии расхода энергии и т.д.

  Лит.:Пшежецкий В. С., Радиационно-химические превращения полимеров, в книге: Краткая химическая энциклопедия, т. 4, М., 1965, с. 421-26; Основы радиационно-химического аппаратостроения, под общ. ред. А. Х, Бречера, М., 1967; «Журнал Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева», 1973, т. 18, № 3: Энциклопедия полимеров, т. 3, М. (в печати).

  С. П. Соловьев, Е. А. Борисов.

Радиационные дефекты в кристаллах

Радиацио'нные дефе'кты в криста'ллах,структурные повреждения, образующиеся при облучении кристаллов потоками ядерных частиц и жёстким электромагнитным (гамма- и рентгеновским) излучением. Структурные микроповреждения вызывают изменения механических и др. физических свойств кристаллов. Восстановление их свойств, т. е. уничтожение Р. д. в к., осуществляется при нагревании. Изучение Р. д. в к. началось в середине 40-х гг. с развитием реакторной техники. Впервые на возможность разрушения кристаллической решётки вследствие смещения атомов из их равновесных положений при взаимодействии с быстрыми нейтронами и осколками деления ядер указал Ю. в 1942. Тогда же было высказано предположение о том, что такие смещения атомов должны сказываться на свойствах материалов.

  Различают простые и сложные Р. д. в к. Простейшими являются междоузельный атом и (см. ). Такая пара образуется, когда ядерная частица сообщает атому, находящемуся в узле кристаллической решётки, энергию выше некоторой пороговой. Величина E ₀зависит от вещества и равна нескольким десяткам эв.Этой энергии достаточно для разрыва межатомных связей и удаления атома на некоторое расстояние от узла кристаллической решётки. И вакансия, и междоузельный атом обладают высокой подвижностью даже при комнатной температуре. Встретившись в процессе миграции по кристаллу, они могут рекомбинировать, выйти на поверхность кристалла либо «закрепиться» на дефектах нерадиационного происхождения (примесных атомах, , границах зёрен, микротрещинах и т.д.). Если энергия, приобретённая атомом, превышает в несколько десятков или сотен раз E ₀, то первично смещенный атом, взаимодействуя с «окружением», вызывает при движении по кристаллу каскад вторичных смещений.

  В результате слияния простых Р. д. в к. могут образоваться их скопления. Образование скоплений наиболее вероятно в тех случаях, когда облучение производится частицами высоких энергий, порождающими каскадные процессы. При этом даже небольшие первичные скопления могут служить «зародышами», на которых происходит накопление (конденсация) простых дефектов. Рост вакансионных скоплений превращает их в поры. Однако этот процесс не может происходить непрерывно: с одной стороны, он ограничен относительным уменьшением поверхности конденсации вакансий, с другой - условиями теплового равновесия. В металлах сферические поры неустойчивы, они сдавливаются в плоскости одного из наиболее плотных атомных слоев кристалла и образуют кольцевые дислокации.

  Наиболее полную информацию о Р. д. в к. можно получить, если облучать материалы при очень низкой температуре (вплоть до нескольких К). Образовавшиеся Р. д. в к. как бы «замораживаются», процесс их миграции по кристаллу максимально замедляется. При последующем постепенном нагревании часто наблюдается ступенчатая картина восстановления исследуемых свойств материала. Исследование характера и скорости восстановления свойств во времени при температуре наиболее резкого их изменения на границе соседних ступеней (изотермический отжиг) позволяет определить энергию активации движения Р. д. в к. и особенности их превращений. Р. д. в к. наблюдают и непосредственно, например с помощью и .

 Исследование Р. д. в к. имеет большое практическое значение. Различные и делящиеся вещества в , материалы, находящиеся на борту космических объектов в , подвергаются воздействию потоков нейтронов, протонов, электронов и g-квантов. Знание типа образующихся Р. д. в к., их превращений и термической стабильности, а также влияния Р. д. в к. на свойства материалов позволяют прогнозировать работу последних под воздействием облучения, открывает пути создания радиационно-стойких материалов.

  Лит.:Конобеевский С. Т., Действие облучения на материалы, М., 1967; Вавилов В. С., Ухин Н. А., Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах, М., 1969; Томпсон М., Дефекты и радиационные повреждения в металлах, пер. с англ., М., 1971.

  Н. А. Ухин.

Радиационные повреждения

Радиацио'нные поврежде'ния,то же, что .

Радиационные поправки

Радиацио'нные попра'вки,в квантовой электродинамике поправки к значениям некоторых физических величин и сечениям различных процессов (вычисленным по формулам релятивистской квантовой механики), обусловленные взаимодействием заряженной частицы с собственным электромагнитным полем. Возникновение Р. п. можно рассматривать как результат испускания и поглощения частицами виртуальных фотонов и электрон-позитронных пар. Р. п. рассчитывают по методу теории возмущений, представляя их в виде ряда по степеням постоянной тонкой структуры a = e ² l c» ¹/ ₁₃₇(где е -элементарный электрический заряд,  - постоянная Планка, с -скорость света в вакууме); поправки 1-го порядка пропорциональны a, 2-го - a ²и т.д. При вычислении Р. п. исходят из того, что Р. п. к массе и заряду частицы сами по себе не имеют физического смысла; физический смысл имеет суммарная величина массы или заряда после включения Р. п., и для этих величин в расчётах используют их экспериментальные значения (т. н. перенормировка массы и заряда).

  Наибольший интерес представляют Р. п. к магнитному моменту электрона и мюона, радиационное смещение атомных уровней энергии ( ), Р. п. к сечениям рассеяния электрона электроном или атомным ядром и др. (см. ). Результаты расчётов Р. п. вплоть до величин 3-го порядка блестяще согласуются с экспериментальными данными и свидетельствуют о справедливости квантовой электродинамики по крайней мере на расстояниях, больших 5Ч10 ^{- 15} см.Р. п. растут с ростом энергии, и эффективным параметром разложения при высоких энергиях является aln ( E/ m), а в некоторых случаях aln ( E/ m) ln ( E/D E) ,где Е -энергия частицы в системе центра инерции, m -её масса, D Е- экспериментальное разрешение прибора.

  Р. п. могут быть в ряде случаев подсчитаны не только для электродинамических процессов, но и для процессов, вызванных др. взаимодействиями. Однако для процессов, обусловленных , вычисление Р. п. обычно нельзя строго провести из-за отсутствия законченной теории сильных взаимодействий.

  При вычислении Р. п. к электродинамическим величинам с точностью выше 3-го порядка существенный вклад получается от виртуального рождения сильно взаимодействующих частиц ( ) и от учёта эффектов . Отсутствие последовательной теории слабого взаимодействия и недостаток экспериментальных данных по процессам рождения адронов за счёт электромагнитного взаимодействия препятствуют вычислению этих эффектов.