L'acqua, se colpita da particelle radioattive, molto probabilmente subirà la ionizzazione (o radiolisi). L'elettrone espulso lascia molto rapidamente la vicinanza delle molecole colpite (in caso di esposizione a radiazioni gamma o beta) oppure si forma un atomo di elio neutro chimicamente stabile (in caso di esposizione a radiazioni alfa), si ottengono così brevi- specie vive che tenderanno a reagire con la maggior parte delle altre sostanze nelle vicinanze, anche se neutre. L'elettrone, dopo essere stato notevolmente rallentato, si idrata e può partecipare esso stesso alle reazioni. Questo articolo contiene diversi esempi di reazioni innescate dalla radiolisi e le separa anche in base alle rispettive scale temporali.
Alcuni ulteriori esempi di reazioni che coinvolgono la radiolisi dell'acqua tramite particelle beta e raggi gamma sono (dal citato articolo " Revisione critica delle costanti di velocità per reazioni di elettroni idrati, atomi di idrogeno e radicali idrossilici (⋅OH / ⋅O−) in soluzione acquosa"):
Naturalmente, non solo le particelle di decadimento sono dannose, ma lo sono anche le entità prodotte dalla loro interazione con la materia nelle vicinanze. Se la particella di decadimento nucleare non ionizza direttamente la materia organica, specie reattive come $ \ ce {OH ^ {.}} $ O $ \ ce {H ^ {.}} $ Potrebbero reagire con biomolecole, degradando cellule e tessuti .
Questo link di Wikipedia contiene alcuni dettagli sulla radiolisi dell'acqua. È interessante notare che sembra che l'idrogeno disciolto in acqua possa sopprimere efficacemente la formazione di specie insolitamente reattive, presumibilmente poiché le reazioni collaterali alla fine causano la formazione di anioni idrossilici (se gli elettroni sono presenti in eccesso) o cationi idronio (se sono presenti cariche positive in eccesso ). Questa immagine ( fonte) mostra una raccolta di possibili reazioni in sequenza. Se cerchi articoli sulla radiolisi dell'acqua, ci sono molti altri risultati, come questi due. È interessante notare che l'effetto della radiazione sull'acqua non sembra ancora essere completamente compreso, in parte a causa della nostra conoscenza incompleta del comportamento degli elettroni idratati.
Ecco un po 'di più di background sulle radiazioni e sui suoi effetti biologici (almeno per i tipi più comuni. Ci sono molti modi in cui i nuclei possono decadere).
A seconda di quanto sia distante la sorgente di radiazioni da te, gamma le radiazioni sono il tipo meno o il più pericoloso di decadimento nucleare. Se la radiazione proviene da ben al di fuori del corpo, la scala del pericolo diventa alfa < beta < gamma . Se ti capita di avere un nuclide radioattivo in tasca, la bilancia potrebbe diventare alfa < gamma < beta . Tuttavia, se la radiazione proviene da all'interno del tuo corpo ( evita di ingerire sostanze luminose), la scala del pericolo diventa gamma < beta < alpha . Perché le radiazioni si comportano in questo modo? Ci sono due effetti principali in gioco: capacità di penetrazione e capacità di ionizzazione .
Nella teoria delle collisioni, diversi tipi di proiettile e bersaglio possono essere caratterizzati da qualcosa chiamato sezione trasversale di collisione (o sezione trasversale di assorbimento, in fisica nucleare), che fondamentalmente ti dà una probabilità di quanto sia probabile per il proiettile per colpire un determinato obiettivo. Se la combinazione di proiettile e bersaglio ha un'alta sezione trasversale di collisione, è molto probabile che interagiscano, e quindi quasi tutti i proiettili verranno fermati anche da un bersaglio sottile. Se la sezione trasversale della collisione è bassa, il proiettile ha una bassa possibilità di colpire il bersaglio e quindi tenderà a passarci interamente attraverso. Per compensare, devi creare un bersaglio molto spesso in modo che ci siano più possibilità che il proiettile e il bersaglio interagiscano.
I diversi tipi di decadimento radioattivo hanno diverse capacità di penetrazione. Tutta la materia come la conosciamo è composta da atomi, che contengono regioni ben definite con carica opposta (i nuclei e i gusci degli elettroni), e quindi possiamo aspettarci che interagiscano fortemente con altre particelle cariche. I decadimenti alfa e beta (-minus) emettono particelle con una carica di $ + 2e $ e $ -e $, rispettivamente ($ + e $ per il decadimento beta-plus). Ci aspettiamo quindi che queste particelle interagiscano fortemente con la materia, venendo fermate facilmente. In effetti, la maggior parte delle particelle alfa viene efficacemente bloccata anche dall'aria. Le particelle beta hanno metà della carica di una particella alfa e stanno andando un po 'più velocemente (avendo circa 1/7000 della massa), quindi riescono ad andare oltre prima di interagire. Di solito bastano pochi centimetri di schermatura metallica o un muro di cemento per fermarli. Tuttavia, i raggi gamma non hanno carica, quindi interagiscono in modo relativamente debole con la materia. Questi fotoni altamente energetici attraverseranno dozzine di centimetri di materia solida. Per massimizzare le probabilità che colpiscano qualcosa e vengano fermati, si consiglia di utilizzare uno scudo fatto di una sostanza molto densa (che racchiuderebbe molti possibili bersagli in un piccolo spazio). Questo è il motivo per cui il piombo è la sostanza preferita per la schermatura radioattiva; la sua alta densità combinata con il basso costo consente la fabbricazione di schermi relativamente compatti in grado di bloccare anche le radiazioni gamma, con uno spessore di circa 10 cm.
Ora, per il meccanismo di come vengono fermate le particelle dal decadimento radioattivo. Per le particelle scariche, la sezione trasversale di assorbimento è bassa perché le interazioni avvengono solo quando la particella scarica si avvicina molto a una particella bersaglio. Per i raggi gamma (fotoni di altissima energia), quando c'è un'interazione, di solito è dovuta allo scattering Compton, dove un fotone energetico interagisce con un elettrone, dandogli una grande quantità di energia cinetica, mentre il fotone viene riemesso con una minore quantità di energia. L'elettrone bersaglio (non necessariamente un elettrone di valenza) spesso guadagna abbastanza energia per essere completamente rimosso dall'atomo, causando la ionizzazione.
Per le collisioni tra particelle cariche (sia cariche uguali che opposte), le interazioni avvengono molto più facilmente, poiché le cariche interagiscono fortemente anche a distanze relativamente maggiori. Le particelle beta-meno (elettroni molto veloci) possono respingere in modo più efficiente gli elettroni e allontanarsi dagli atomi, creando cationi. Le particelle alfa (nuclei di elio-4 nudi) sono interessanti perché la loro carica positiva significa che possono strappare elettroni da qualsiasi atomo o ione. In effetti, è difendibile che le particelle alfa siano l'acido di Lewis più forte che si possa trovare comunemente; sono effettivamente protoni liberi con una carica doppia.
Si noti che la capacità di penetrazione e la capacità di ionizzazione sono inversamente correlate; se una particella di decadimento radioattivo è fortemente ionizzante, interagisce bene con la materia e viene fermata in breve tempo. Se è debolmente ionizzante, uno dei principali meccanismi di interazione viene soppresso e la particella di decadimento può andare oltre prima di essere arrestata. Per non danneggiarti, vuoi che i prodotti del decadimento nucleare non scarichino la loro energia nel tuo corpo, cioè vuoi che passino proprio attraverso di te. Qui, è chiaro che le particelle alfa sono le più pericolose, seguite dalle radiazioni beta e gamma. Tuttavia, le particelle alfa interagiscono così fortemente con la materia che hanno letteralmente bisogno di essere rilasciate più vicino della tua pelle per scaricare energia nei tessuti viventi, quindi devi ingerire, respirare o iniettare emettitori alfa. Quando ciò accade, sono estremamente mortali. È un evento molto raro, tuttavia, poiché le radiazioni di solito provengono da lontano. In tal caso, le radiazioni gamma hanno maggiori possibilità di raggiungerti, quindi si dice che siano le più pericolose.