Основы радиационной биофизики - Кудряшов Ю.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Сверхвозбужденные молекулы — это молекулы, обладающие избыточной энер{-ией, которая превышает потенциал ионизации (рис. III—10). Существуют экспериментальные данные, подтверждающие представления о том, что сверхвозбужденное состояние в сложных молекулах сохраняется ib течение времени, примерно в 100 раз превышающего период колебаний, т. е. больше 10-13 с.
Некоторые из сверхвозбужденных состояний возникают в результате одновременного перехода двух или нескольких электронов на более высокие энергетические уровни. Взаимодействие таких уровней может привести к концентрации энергии в одном из электронов. Если этот эффект произойдет, то электрон будет выброшен из молекулы, а сама она станет положительным ионом. С такой «автоиониз'ацией» конкурируют процессы внутренней перестройки молекулы, в том числе и те, которые приводят к смещению атомов и переходу избыточной энергии в химическую и тепловую, что ведёт к уменьшению имеющейся энергии до значений, меньших порога ионизации. Таким образом, в сверхвозбужденных молекулах существует конкуренция между процессом ионизации и диссоциации.
Ионизированные молекулы. Ионизацию можно рассматривать как одну из форм возбуждения, при которой электрон или группа электронов приобретает настолько большой запас энергии, что выбрасывается из молекулы. Образуются ионы, находящиеся в состоянии электронного и, как правило, некоторого колебательного возбуждения. Это происходит потому, что межатомные расстояния в ионе, находящемся в основном состоянии, и в нейтральной молекуле различаются между собой, акт же ионизации происходит значительно быстрее перестройки связи (принцип Франка — Кондона); в результате ион начинает свое существование с атомными расстояниями, отличающимися от нормальных и соответствующими некоторой колебательной потенциальной энергии. Процесс внутренней конверсии, рассмотренный выше для возбужденных молекул, происходит аналогичным образом и в ионе, если ион изолирован; концентрация колебательной энергии на определенных связях может привести к его распаду.
Б жидкостях и твердых телах быстрое рассеяние колебательной энергиК в состоянии предотвратить распад и позволить иону перейти вчнизшее электронное состояние, в котором он способен существовать некоторое время. Если затем ион встретится с -каким-либо отрицательно заряженным образованием (ион, сольва-тированный электрон и т. д.), энергия соединения может оказаться достаточной для распада молекулы на два свободных радикала. \
Таким образЬм, дальнейшие превращения, которые испытывает ионизированная молекула, вероятнее всего приведут ее к распаду на два свободных радикала.
Судьба электройов, испущенных молекулой. Электроны, выбитые из молекулы, обычно делят на две группы в соответствии с тем, больше их кинетическая энергия энергии низшего уровня электронного возбуждения молекул окружающей среды или меньше ее. Электроны первой группы взаимодействуют с электронной системой молекул, с которыми они сталкиваются, и теряют энергию в неупругих соударениях. В конце концов они переходят во вторую группу, оставляя на своем пути ряд молекул с электронными возбуждениями. В дальнейшем эти электроны теряют энергию за счет возбуждения колебательных и вращательных движений в сталкивающихся с ними молекулах. Если в среде преобладают молекулы, энергия низшего уровня электронного возбуждения которых существенно превышает кинетическую энергию электрона, и имеется небольшая доля молекул с низкими энергиями электронного возбуждения, то электроны, теряющие мало энергии при столкновении с молекулами первого типа, будут «разыскивать» и возбуждать молекулы второго типа, передавая значительно большую часть поглощенной энергии, чем это соответствовало бы их малой концентрации в среде. По данным Платцмана 15—20% всей энергии, поглощенной при воздействии высокоэнергетического излучения, передается медленными электронами и среднее время, необходимое для достижения ими теплового равновесия со средой, составляет примерно 10_и с. За время такого же порядка происходит поляризация среды вокруг замедлившегося электрона. Возникает чрезвычайно активное в химическом отношении образование, названное сольватированным электроном (в водной среде это так называемый «гидратированный электрон», о котором подробнее сказано в следующей главе).
Процессы, происходящие на физико-химической стадии, приводят к различным типам перераспределения возбужденными молекулами избыточной энергии и, таким образом, обусловливают появление разнообразных активных продуктов (ионов, радикалов и т. д.). Эти процессы протекают в течение очень короткого интервала времени, порядка 10-1410~п с, их экспериментальное исследование представляет значительную трудность. При облучении вещества, состоящего из одного сорта молекул, с опреде-
ленной вероятностью возникают возбужденные, сверхвозбужден-ные и ионизированные молекулы, а каждый из этих первичных продуктов имеет много возможностей для дальнейших /превращений. В результате образуются ионы и радикалы разнообразной природы с широким спектром химических свойств, взаимодействующие друг с другом и с окружающими молекулой. Эти процессы составляют третью, или химическую, стадию действия ионизирующего излучения. Реакции ионов и радйкалов формируют различные типы структурного поражения молекул. Если исследуемые молекулярные структуры входят в состав биологических систем, то их повреждение может повлечь за собой такие нарушения в системе, которые, проходя биологическую стадию, в конечном счете ведут к развитию наблюдаемого биологического эффекта облучения. Если процессы, происходящие на химической стадии, заканчиваются в первые 10_6—10~3 с после облучения, то биологическая стадия может длиться от нескольких секунд до многих лет (например, вызванное облучением уменьшение средней продолжительности жизни млекопитающих).
