In fisica e chimica , la radiolisi è la decomposizione della materia (solida, liquida o gassosa) per radiazione ionizzante . L'acqua può essere radiolizzata, ma anche gas, sali minerali e molte molecole organiche.
La radiolisi dell'acqua è la dissociazione per decomposizione chimica dell'acqua (H 2 O) (liquido o vapore acqueo) in idrogeno e idrossile , rispettivamente sotto forma di radicali H · e OH, sotto l'effetto di un'intensa radiazione energetica. La rottura deriva dall'eccitazione elettronica della molecola d'acqua durante il fenomeno della ionizzazione .
Vari parametri modificano le rese molecolari e radicali della radiolisi dell'acqua. I fattori noti sono:
I radicali liberi prodotti dalla radiolisi sono molto reattivi. Se possono ricombinarsi nel mezzo, hanno solo una vita breve.
Questo "cracking" molecolare fu dimostrato, poco dopo la scoperta della radioattività , dal francese André Debierne (1874-1949), il quale scoprì che il radio era in grado di scomporre la molecola dell'acqua per formare l'idrogeno e l'ossigeno nativo, con possibile produzione di perossido di idrogeno.
Gli scienziati atomisti del Progetto Manhattan e le loro controparti russe che lavorano segretamente allo sviluppo della bomba atomica , hanno scoperto che la presenza di idrogeno rallentava la radiolisi mentre l'ossigeno disciolto o il perossido di idrogeno la acceleravano. AO Allen ha poi mostrato che la radioattività potrebbe catalizzare la ricombinazione dell'acqua di H 2e H 2 O 2 in presenza di radicali H e OH·. Abbiamo anche osservato la formazione per radiolisi di una nuova entità chimica: l' elettrone idrato (gruppo di molecole d'acqua attaccato ad un elettrone dall'attrazione tra la carica di quest'ultimo e i momenti di dipolo elettrico di queste molecole dell' acqua) dice "e aq - " (evidenziato da EJ Hart e JW Boag ). Il fenomeno sembra essere stato studiato durante i test nucleari atmosferici , che producono anche ozono , anch'esso un superossidante .
La radiolisi dell'acqua pone complessi problemi di ingegneria nucleare. Il verificarsi accidentale di questo fenomeno è temuto dai progettisti di centrali nucleari , dai progettisti e utilizzatori di potenti sorgenti radioattive, dai centri che effettuano il trattamento o lo stoccaggio di scorie radioattive o gli impianti come il sarcofago di Chernobyl , perché oltre è un rischio di esplosione con idrogeno, l'ossidazione dei metalli e gli effetti sul comportamento dell'acqua di cemento sono ancora poco presi in considerazione dai modelli, soprattutto a medio e lungo termine.
A titolo di esempio:
Anche una moderata modifica di uno di questi quattro fattori può modificare notevolmente l'effetto dell'idrogeno sulla radiolisi dell'acqua. Inoltre, l'esperienza e le simulazioni al computer hanno dimostrato che una volta raggiunte determinate soglie per la concentrazione di ossigeno e perossido di idrogeno, l'acqua inizia improvvisamente a lisarsi in idrogeno, ossigeno e perossido di idrogeno. Inoltre, quando i livelli di ossigeno e acqua ossigenata raggiungono una certa soglia, si interrompe la reazione a catena che ha portato a ricombinare le molecole per produrre acqua.
I ricercatori continuano quindi a studiare la radiolisi dell'acqua esposta a radiazioni intense, per evitare un effetto corrosivo del circuito e del reattore, e in particolare per evitare la rottura dell'acqua con rischio di esplosione di idrogeno.
La radiolisi è un fattore distruttivo nel funzionamento cellulare , perché la maggior parte dei processi viventi dipende dall'acqua o implica la partecipazione di molecole d'acqua; attraverso la radiolisi, alcuni tipi di radiazioni possono contribuire allo stress ossidativo producendo radicali (radicali superossido ) che sono coinvolti anche in diverse patologie e nell'invecchiamento. Vari laboratori studiano le reazioni di ossidazione e riduzione dei radicali derivanti dalla radiolisi dell'acqua su proteine , DNA (RNA?) o lipidi .
Sembra che le cellule di piante, funghi e licheni siano in grado di resistere meglio agli effetti della radioattività rispetto alla maggior parte delle cellule animali. Le metallotioneine coinvolte nella gestione dei metalli pesanti e nella disintossicazione da parte degli organismi, così come la superossido dismutasi , sono di interesse per i ricercatori per la loro capacità di ridurre gli impatti della radiolisi nelle cellule (antiradicali, antiossidanti ).
La radiolisi ha effetto sulle forme chimiche dei radioelementi rilasciati o presenti nell'ambiente, che vengono trasportati dall'aria, dall'acqua e dal suolo agli ecosistemi ( bioturbazione ). Anche lì gli effetti delle basse dosi, in particolare per le molecole che hanno un target biologico , sono ancora poco conosciuti (esempio nell'uomo: tiroide per lo iodio , o cuore per il cesio ).
Anche la vita e la chimica del suolo possono essere disturbate: il suolo contiene acqua, e in particolare humus e argilla, che hanno funzioni essenziali di ritenzione. Vari componenti del suolo possono essere radiolizzati ei prodotti radiolitici aggiungeranno i loro effetti a quelli delle radiazioni sulle cellule viventi e modificheranno la capacità di ritenzione di argille, carboni e humus e molecole in soluzione in acqua (ossidazione per esempio).
La ionizzazione degli alimenti e di alcuni farmaci è sempre più utilizzata per la disinfezione . In buone condizioni, si ritiene che non induca un rischio tossicologico se la dose somministrata non è superiore a 10 kGy. Alcuni farmaci vengono sterilizzati per irradiazione, con il rischio che alcuni dei loro componenti vengano radiolizzati; devono rispettare i principi della farmacopea. Secondo Zeegers (1993), nel caso del cloramfenicolo irradiato una dose sterilizzante da 15 a 25 kGy consente ancora al farmaco di superare "la maggior parte dei test di purezza". Tuttavia, questi test non sono stati sviluppati per la rilevazione di possibili prodotti caratteristici della radiolisi. La rilevazione cromatografica potrebbe essere utilizzata per le sostanze radiosensibili, come gli antibiotici β-lattamici, ma richiederebbe una re-irradiazione” .
I rifiuti vetrificati e soprattutto i loro contenitori metallici possono essere degradati dalla radiolisi dell'acqua, fenomeno oggetto di studi per la gestione del rischio nell'ambito in particolare dello smaltimento geologico profondo delle scorie nucleari. Lo stesso vale per le ceramiche nucleari (es: zirconolite ).