Аннигиляция позитронов в канцерогенных и антиоксидантных веществах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Пивцаев Алексей Александрович

• Пивцаев Алексей Александрович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Пивцаев Алексей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Позитрон и позитроний. Свойства и характеристики

1.2. Источники позитронов и схема распада

1.3. Процессы аннигиляции и взаимодействия позитронов с веществом

1.4. Атом позитрония в органических жидкостях

1.5. «Пузырьковая» модель взаимодействия

1.6. Атом позитрония в кристаллических веществах.

Модель «свободного объема»

1.7. Модель «ловушек»

1.8. Расчет модели «ловушек» в конденсированной среде

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

2.1. Позитронная аннигиляционная спектроскопия. Основные методы

2.2. Установка. Временной спектрометр быстро-быстрых задержанных совпадений

ГЛАВА 3. ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ

3.1. Канцерогенез

3.2. Индивидуальная чувствительность к канцерогенам

3.3. Свободные радикалы и свободнорадикльные реакции

3.4. Антиоксиданты и их роль в торможении

свободнорадикальных реакций

3.5. Химические канцерогены

3.6. Синтетические и натуральные красители

3.7. Антиоксиданты

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аннигиляция позитронов в канцерогенных и антиоксидантных веществах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Быстрое распознавание канцерогенов давно стало насущной потребностью, так как технический прогресс постоянно вынуждает нас соприкасаться с большим количеством новых химических соединений, биологическая активность которых неизвестна. Традиционные методы испытания на канцерогенность в экспериментах на животных в силу своей дороговизны и длительности не позволяют охватить весь поток соединений, поставляемых промышленностью. Поэтому создание быстрых методов выявления канцерогенных свойств веществ представляет собой актуальную задачу.

Биохимические исследования Джеймса и Элизабет Миллер [1] показали, что канцерогенно-мутагенное действие проникших в организм самых разных химических соединений в первую очередь обусловлено их сильной электрофильностью, т. е. способностью эффективно акцептировать электроны биологически важных молекул -ДНК, ферментов (электрофилы - вещества, имеющие свободную орбиталь на внешнем электронном уровне). Свободные радикалы образуются в организме в результате метаболизма кислорода и представляют собой молекулы с не спаренным электроном на молекулярной или внешней атомной орбите и обладающие высокой реакционной способностью. Обладая высокой электрофильностью, свободные радикалы оказывают повреждающее действие на белки и липиды клетки и клеточных мембран, в частности, могут вызывать модификацию нуклеиновых кислот и ферментов, изменение структур и свойств гормонов и их рецепторов.

В связи, с выше изложенным, представляется актуальной необходимость найти метод, позволяющий измерять, оценивать изменение или степень изменения распределения электронной плотности, отвечающей за степень электрофильности и канцерогенности, химических соединений.

Исследования в области физики медленных позитронов свидетельствуют о том, что ядерная физика, обогатив арсенал атомной физики источниками позитронов и новыми экспериментальными методами регистрации событий, происходящих в электронных оболочках, значительно расширила круг задач физики конденсированного состояния вещества, сделав доступными анализу экспериментальные и теоретические проблемы, которые не могли быть решены традиционными методами. Изучая свойства аннигиляционного излучения (энергетический спектр, интенсивность 2у- и 3у-распадов, неколлинеарность вылета квантов двухфотонной аннигиляции) или фиксируя распределение актов аннигиляции во времени, начиная с момента возникновения свободного позитрона, можно достаточно подробно проследить "судьбу" позитрона в веществе, восстановить картину столкновений, элементарных процессов и процессов переноса, в которых участвует позитрон (или позитроний) до аннигиляции в среде. Это, в свою очередь, позволяет обстоятельно изучать свойства среды, в которой движется, замедляется и аннигилирует позитрон.

Позитронная аннигиляционная спектроскопия (ПАС) позволяет извлекать информацию о распределении электронной плотности в молекуле данного химического соединения (рисунок 1), если за меру ее принять значение константы скорости реакции (^ этого соединения с «избыточными» электронами [2].

^п^^ =Ъ(— — —) - константа скорости реакции, 1 = 2, 3, (1)

где п1 - электронная плотность, vi - скорость движения атомов позитрония, - сечение pick-off-аннигиляции, I - интенсивность

временных компонент, Tj

время

жизни позитрония.

-о о

сл CU

-С

О

30 25 20 15 10 5 0

- water

ethanol glycerol

dimethyl sulfoxide ф

ac^5V?№de

phenol

102 104 106 108 eâq + S) » M-1S"1

acetic acid _ benzyl alcohol * •• • C2CI4, C6H5I, H2O2,

pyridine _ C2Hgl, CCI4, HNO3,

chlorobenzer» benzpyrene, CrI-UNO?

benznitrile • D 0 ^

C(N02)4, CH3NO2, C60

bromethar^ brombenzen® 4pHCI3 carcinogens

mutagens radiosensitizers

n-propyl nitrate

1010

Рисунок 1. Распределение канцерогенов и не канцерогенов по степени электрофильности. [2]

Распределение электронной плотности в молекуле определяет также поведение позитронов и позитрониев по отношению к ней, а значит, и нуклеофильные или электрофильные свойства молекулы.

Однако при ПАС методе изучения вещества совсем не просто достичь однозначной интерпретации опытных данных, и это в значительной мере обусловлено тем, что исследования с позитронами существенно отличается от экспериментов с другими атомными частицами. Первое отличие - в источниках частиц. Если в экспериментах с обычными атомными частицами, например электронами, используют направленные потоки интенсивностью 1012106 частиц/см2*сек, то в случае позитронов, потоки составляют 104 -107 частиц/см 2*сек, что вызывает необходимость в опытах фиксировать индивидуальные события. Вторая особенность - в регистрации частиц. Как правило, регистрируются не сами позитроны, а их у-кванты аннигиляции с электронами среды. Это, с одной стороны, обуславливает широкие возможности использования античастиц для

изучения электронных состояний, но с другой - существенно осложняет расшифровку экспериментальных данных, т.к. для однозначной интерпретации необходимо знать волновые функции частиц, испытавших аннигиляцию. Третье обстоятельство - в опытах по аннигиляции обычно используют неуправляемые по энергии, во времени и в пространстве потоки позитронов. Поэтому часто в одном эксперименте одновременно может реализовываться сразу несколько различных вариантов аннигиляции, а для каждого из них надо знать квантовые состояния аннигилировавших электрон-позитронных пар. Естественно, в такой ситуации исследование корреляции между аннигиляционными временными характеристиками позитронов и степенью канцерогенности для разных веществ требует различных подходов.

Целью работы является определение методом позитронной аннигиляционной временной спектроскопии (ПАВС) аннигиляционных временных характеристик позитронов и позитрония (Ps) (в некоторых химических веществах с разной степенью канцерогенности и электрофильности) и установление корреляции этих характеристик с канцерогенными свойствами химических веществ.

Для этого были поставлены следующие задачи:

1. Апробировать метод ПАВС в обнаружении канцерогенных свойств, на пищевых натуральных и синтетических красителях. Произвести измерение и обработку аннигиляционных спектров разных химических соединений с разной степенью канцерогенности и электрофильности;

2. Исследовать корреляционную зависимость между аннигиляционными временными характеристиками веществ и степенью их канцерогенности. Установить зависимость изменения времени жизни позитрона в канцерогенных растворах от их концентрации;

3. Применить данные, полученные методом ПАВС, для расчета предельно допустимой концентрации синтетических красителей;

4. Провести измерение времен жизни позитрония в антиоксидантах. Сравнить электронные плотности канцерогенов и антиоксидантов. И установить различии в электронных плотностях исследуемых веществ;

5. Рассчитать радиусы свободных объемов в канцерогенах по модели «ловушек» с использованием программы TRAPPED.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Время жизни позитронов в канцерогенах существенно отличается от времени жизни в антиоксидантах и зависит от степени канцерогенности;

2. Примерной границей между канцерогенами и не канцерогенами является время долгоживущей компоненты позитрония т3 = 1 нс;

3. Метод позитронной аннигиляционной временной спектроскопии различает вещества, обладающие различной степенью электрофильности. И дает возможность разделить исследуемые вещества на три группы: канцерогены, антиоксиданты и нейтральные вещества;

4. Метод ПАВС в настоящий момент является самым быстрым методом обнаружения канцерогенных свойств химических соединений.

Научная новизна и практическая значимость работы:

Впервые методом позитронной аннигиляционной временной спектроскопии удалось исследовать различные группы веществ на наличие канцерогенных, либо антиоксидантных свойств. Обнаружены значительные различия времен жизни позитрона в канцерогенах и антиоксидантах. Впервые данным методом удалось определить границу - маркёр, разделяющую вещества канцерогены и не канцерогены. Установлена

возможность рассчитать предельно допустимые концентрации определенной группы канцерогенов, использующейся в пищевой промышленности. Выявлена корреляционная связь изменения времени жизни позитрония в канцерогенных растворах при разбавлении их водой. В дальнейшем метод ПАВС может способствовать быстрому определению канцерогенов или антиоксидантов и выявлению степени канцерогенности или антиоксидантности вещества.

Личный вклад автора. Поиск и приобретение необходимых групп веществ - канцерогенов, электрофилов и антиоксидантов проводился при участии соискателя. Набор временных аннигиляционных спектров на позитронном аннигиляционном временном спектрометре проводился при участии соискателя. Обработка экспериментальных данных и расчет аннигиляционных параметров выполнялись лично соискателем. Поиск корреляционных связей и расчет предельно допустимых концентраций канцерогенов выполнялись лично соискателем. Планирование экспериментальной и теоретической частей работы, обсуждение полученных результатов, подготовка материала для публикаций проводились совместно с научным консультантом и соавторами.

Объём и структура работы: Диссертация изложена на 91 странице машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка цитируемой литературы. Работа содержит 23 рисунка и 8 таблиц.

В главе «Обзор литературы» рассмотрены известные модели взаимодействия позитрония с веществом.

В главе «Методика эксперимента и экспериментальная установка» представлены данные о методах исследования веществ с помощью позитронной аннигиляционной спектроскопии. И описана рабочая установка спектрометра, которая использовалась в данной работе.

В главе «Исследуемые образцы» вводятся понятия - канцерогенез, свободные радикалы и антиоксиданты, и их основные характеристики. Приводится перечень исследуемых групп веществ.

В главе «Результаты» приведены все данные, полученные после измерений и обработок. Представлены аннигиляционные характеристики всех исследованных веществ. Показано наглядное разбиение канцерогенов, мутагенов и нейтральных веществ. Представлено явное различие времен жизни позитрона в канцерогенах и антиоксидантах. Приведен расчет предельно допустимых концентраций пищевых красителей, полученных методом позитронной аннигиляционной временной спектроскопии.

В главе «Обсуждение» приведены обоснования и предположения о полученных теоретических и практических данных.

Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались устными докладами с презентацией на:

1) «11 -th international workshop Positron and Positronium Chemestry» - 2014, г. Гоа, Индия;

2) Всероссийском стартап-туре Russian Start Up Tour - 2014, ДВФУ, г. Владивосток;

3) Всероссийском стартап-туре Russian Start Up Tour - 2015, ДВФУ, г. Владивосток;

4) Всероссийском стартап-туре Russian Start Up Tour - 2016, ДВФУ, г. Владивосток;

5) Конкурс «Умник» - 2014, г. Владивосток

6) Конкурс «Умник» - 2015, г. Владивосток;

7) IX Всероссийская научно-практическая конференция «Будущее сильной России - в высоких технологиях» - 2015, г. Владивосток -Санкт-Петербург;

8) I Всероссийского конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов в области экологии и природопользования «Молодое

поколение инновационной экономике России имени проф. Ю. П. Селиверстова» - 2015, г. Санкт-Петербург;

9) II международная научной конференции «Современные исследования в естественных науках» - 2015, ДВФУ, г. Владивосток;

10) «Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях». 10-я юбилейная Российская научная конференция - 2015, г. Москва;

11) 17-th International Conference on Positron Annihilation - 2015, China, Wuhan.

Публикации: Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 7 научных статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 5 из которых входят в системы цитирования Scopus и Web of Science, а также в 5 тезисах докладов на конференциях.

Авторские права: Разработанный нами метод быстрого распознавания канцерогенов с помощью позитронной аннигиляционной временной спектроскопии запатентован.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Позитрон и позитроний. Свойства и характеристики.

Позитронная аннигиляционная спектроскопия (ПАС) основана на взаимодействии позитрона с атомами и молекулами вещества.

Атомы, в которых протон замещен другой положительной частицей, называются по имени этой частицы с добавлением окончания "ний". Проникновению любой положительной частицы в ядро препятствует кулоновское отталкивание, которое может быть уравновешено лишь ядерными силами. Поэтому легкие положительные частицы, не вступающие в ядерные взаимодействия (позитроны и п+-мезоны), не проникают внутрь ядер, содержащих несколько нуклонов. Эти атомы образуются лишь в случае замены протона в атоме водорода. При этом атомно-подобная структура, состоящая из позитрона и электрона, называется позитронием (Ps).

Позитроний - наилегчайший из всех известных новых атомов, единственный атом без ядра. Его свойства приведены в таблице 1. В самом деле, поскольку обе частицы, из которых состоит позитроний, имеют одинаковую массу, центр тяжести не совпадает ни с одной из них (в противном случае, такая частица могла бы рассматриваться как ядро), а расположен строго между ними. Таблица 1. Специфические свойства атома позитрония

Свойства Синглетное состояние Триплетное состояние

Название Пара-позитроний Орто-позитроний

Символ ( %) <Р5 ( 351)

Спиновое состояние т тт

Квантовое число J = 0 J = 1

Доля образования 25% 75%

Время жизни, с 1,25*10-10 1,4*10-7

Тип аннигиляции 2у 3у

Когда орбитальный момент Ps I = 0, реализуется триплетное

о

состояние Б1 (полный момент J=l), если спины

позитрона и электрона параллельны. Или синглетное состояние х50 (полный момент или квантовое число J=0) если их спины антипараллельны. Зарядовая четность системы позитрон-электрон положительна для триплетного и

отрицательна для синглетного состояний. Поэтому в силу закона сохранения зарядовой четности, в электромагнитных взаимодействиях в синглетной ( х50) системе электрон-позитрон (е+ - е- ) возможна аннигиляция с испусканием только четного числа у-квантов, например

о

2у -аннигиляция, а в триплетной ( Б±) системе - с испусканием только нечетного числа у-квантов , например 3у-аннигиляция.

1.2 Источники позитронов и схема распада.

В экспериментах по измерению времени жизни используются радиоизотопные источники позитронов. Позитроны испускаются претерпевающими р+ - распад нейтрон - дефицитными ядрами и имеют энергию от десятков кэВ до 2 МэВ. При попадании позитрона в вещество он быстро теряет энергию в результате ионизационного и радиационного торможений, при этом его энергия падает до тепловых значений за время, примерно равное 10 пс. После чего позитрон аннигилирует с электронами валентной зоны. При аннигиляции испускается преимущественно два аннигиляционных у - кванта с энергией 511 кэВ, направленных под углом 180о относительно друг друга. Время между попаданием позитрона в вещество и его аннигиляцией зависит от локальной электронной плотности. Если свободных, не спаренных электронов нет, то время жизни позитрона увеличивается. Например, в металлах без дефектов (пор, вакансий и т. п.) время жизни наименьшее - 120 пс. При наличии в металле вакансий оно увеличивается до 170 пс, наибольшее время 450 пс. В связи с этим, можно наблюдать одно-, двух-, трех- и четырехкомпонентный спектр времени жизни позитронов (подробнее в разделе «Установка»)

В лабораторных условиях источниками позитронов являются некоторые из радиоактивных нуклидов (22№, 64^, и др.). Средняя энергия

позитронов 0,2 ^ 0,5 МэВ. Наиболее распространенным, для позитронной аннигиляционной временной спектроскопии (ПАВС),

22Ыа (2,58 л)

22№*

10,2

Г"

89,8 % в+ 0,544 МэВ

2тес2 = 1,022 МэВ

У

1,274 МэВ

22 Ые (Ст.)

Рисунок 2. Схема распада 22№.

источником е+ является соединение 22№0, (схема распада 22Na представлена на рисунке 2), запаянный в конверт из майларовой пленки, либо из тонкой (5—10 ^м) титановой фольги. Активность такого источника варьируется в пределах от 10-4 до 1 Кюри. Период полураспада 22№ составляет 2,58 года. При р+ - распаде 22№ происходит образование возбужденного ядра 22№, которое затем практически мгновенно (т = 3 пс) «релаксирует» в основное состояние с испусканием у-кванта 1,28 МэВ. Этот фотон, появляющийся сразу после рождения позитрона, служит стартовым сигналом, запускающим электронику во временных экспериментах. Эта особенность р+ - распада 22Ыа чрезвычайно полезна. При использовании других источников позитронов, чтобы зарегистрировать момент влета е+ в образец, между источником и образцом приходится ставить дополнительный сцинтилляционный детектор.

При ПАС угловой и доплеровских измерениях регистрация момента рождения позитрона не требуется. Более того, у-кванты,

вылетающие при переходе из возбужденного состояния 22№, вносят дополнительный фон. В этом случае в качестве источника е+ могут оказаться более предпочтительными другие изотопы, перечисленные выше.

1.3 Процессы аннигиляции и взаимодействия позитронов с

веществом.

Конечной судьбой всех позитронов, попадающих в вещество, является аннигиляция.

Аннигиляция позитронов при соударениях с электронами бывает трех видов - с испусканием двух, трех и одного гамма - кванта.

Наблюдаются следующие типы реакций аннигиляции:

1) одно - фотонная аннигиляция (у-процесс) требует обязательного присутствия третьего тела М - ядра или электрона, воспринимающего импульс отдачи: е ++ е" + М ^ у + М

2) двух - фотонная аннигиляция (2у-процесс): е + + е" + М ^ 2у + М

3) трех - фотонная аннигиляция (3 у-процесс): е + + е + М ^ 3у + М

4) при наличии двух тел принципиально возможно и бесфотонная аннигиляция: e+ + e- + 2M ^ 2M. Однако, вероятность такого процесса очень мала.

В случае 2 у -аннигиляции покоящейся е+ - е- пары, у-кванты разлетаются в строго противоположных направлениях (под углом 180о), в соответствии с законом сохранения импульса. Энергия каждого у -кванта эквивалентна массе покоя электрона (= 0.511 МэВ). Небольшие отклонения в энергиях фотонов от 0.511 МэВ или от коллинеарности в направлениях разлета дают ценную информацию о свойствах вещества и являются основой ряда экспериментальных методик. В конденсированной среде замедление позитронов происходит всего за несколько пикосекунд (главным образом, за счет ионизации и возбуждения окружающих молекул).

Определенная доля позитронов претерпевает свободную аннигиляцию с электронами окружения. Часть позитронов, в ряде случаев, вступает в химические реакции и далее аннигилирует из связанного состояния с молекулой или ионом. В случае свободной

аннигиляции вероятность 2у - аннигиляции превосходит вероятность 3у - аннигиляции в 372 раза. Время жизни при свободной аннигиляции позитронов примерно равно 0,4 нс. Остальная часть позитронов образует связанную систему с электроном, называемую позитронием

(Ps).

Многообразные процессы, приводящие к изменению времени жизни по сравнению с временами жизни орто - и пара-состояний в вакууме, объединяют под названием «тушение» позитрония и классифицируют следующим образом:

- Pick off аннигиляция (аннигиляция на "чужих" электронах атома или молекулы в момент соударения с ними позитрония);

- Орто-пара конверсия (взаимное превращение триплетного Ps в синглетный благодаря взаимодействию с парамагнитными частицами);

- Химические реакции позитрония (присоединение, замещение, окисление).

1.4 Атом позитрония в органических жидкостях.

Один из возможных процессов взаимодействия позитрона с окружающей средой, при попадании в вещество описывается моделью «пузырька». В статье С. В. Степанова [3] рассматривается формирование пузырька на молекулярном уровне. Предполагается, что молекулы взаимодействуют через потенциал Леннарда-Джонса:

Р(г) =

/ —\12 I г \

- 2

/-V г г \

V г ) V г )

(1)

где г - межмолекулярное расстояние. Среднее расстояние между

молекулами в минимуме потенциала, а именно г = г - п1з (п-плотность молекул в жидкости) и потенциальная энергия в равновесии разделена между парой молекул (действительно экспериментальные данные относительно параметров потенциала Леннарда - Джонса в жидкостях указывают на

простую корреляцию между г и молекулярной концентрацией п13).

& = Ля г

Рисунок 3. Правильный четырехгранник, сформированный четырьмя ближайшими соседними молекулами.

Так как р быстро уменьшается с г , можно упростить картину

жидкости, как состоящей из полужестких сфер радиуса г ,

взаимодействующих только с самыми близкими соседями. Связь, способствующая соединению, пропорциональна е . Таким образом, вся жидкость рассматривается как плотно упакованная структура. Центры

г

четырех ближайших молекул (сфер) присоединяясь, формируют правильный тетраэдр с длинной стороны г, и лежащим на сфере радиуса г1 = Гд/38, как показано на рисунке 3.

Поэтому площадь, приходящаяся на одну молекулу, будет ^ = жх2. Введем координационное число:

к = 4пг 7 ^ = )2 = 32/3. (2)

Радиус Вигнера-Зейтса дается как

4 = п 4

(3)

(что является радиусом сферы, занятой каждой молекулой), заметим (г = п1), что

Г = (4^/= - . (4)

Тетраэдр, изображенный на рисунке 1, представляет собой элемент структуры ничем не возмущенной жидкости. Это соответствует случаю Я = 0. Далее, расталкивая молекулы, но удерживая их на поверхности сферы 8Я+г1; являющейся поверхностью первого молекулярного уровня (ПМУ), создадим сферический свободный объем 4пЯ3/3 внутри тетраэдра (см. рисунок 4). По мере увеличения Я все больше молекул оказывается на 5Я+г1. Полное число N5 молекул на ПМУ можно оценить как

Ns =

К+г1

= 4

+ 2 V Г у

(5)

Поверхность Первого Молекулярного Уровня (ПМУ)

«Новые» молекулы на ПМУ

Свободный объем

4жЯ3/3

Рисунок 4. Формирование ямы радиуса Я и ПМУ.

Из-за появления пузырька координационное число, которое было ^ = Ляг V & = 4(г/г )2 = 32/3, (6)

уменьшается пропорционально объему молекулы, находящейся на первом молекулярном уровне, разделенном на объем молекул (яг,2 = яЯ25):

Л, SrNs , , Ак = R к0 = 4

4я(г/2)2

/ „ Л

R

2

V ri + R J

(7)

^ =4^R2, (8)

Здесь Sr/Ns - площадь свободной поверхности, приходящейся на

молекулу первого молекулярного уровня; 4п( r /2)2 - наружная площадь

^ Г Sr/Ns

молекулы. Таким образом, отношение —R _ S2 есть мера уменьшения

4n{r/2)

координационного числа. В соответствии с парным характером молекулярных взаимодействий разумно предположить, что избыточная молекулярная энергия ПМУ (иначе поверхностная энергия) Ea пропорциональна NsAk Ea=const NSAk= 16 const R2/ r2 , т. е. мы имеем

Ec=4nR2a» (9)

Если поверхностная энергия - свойство сферы радиуса R, тогда нет никакой R - зависимости поверхностного натяжения. Однако ясно, что поверхностное натяжение должно быть связано с поверхностью радиуса

Ra= R + r = R + RWS , (10)

т. е. со сферой, проходящей через центры молекул, составляющие первый молекулярный уровень, соответственно с = 4^R2a(R), имеем:

) Г R

V К J

1

(11)

(1 + Я^/Я)2'

Для нашей цели предпочтительно выражать энергию формирования пузырька через функцию поверхностного натяжения <~(г) в Лапласовой форме:

Ьз

43 г.

(12)

ст(г) находится из интегрального уравнения

I

К =К+К

2а(г)

4 г = 4лЯ V

Тогда, дифференцируя по Я, получаем выражение, Толмановскому, формула (11):

<~( К) =

1 + Я^/Я

(13) подобное

(14)

г

г

т

Рисунок 5. Центр масс рб, ограниченный сферической ямой глубиной и и радиуса Яи. 5 - толщина электронного слоя. Я + я^б - расстояние от центра ПМУ.

Формулируя молекулярный подход формирования поверхностей внутри жидкости, мы возвращаемся к состоянию позитрония в потенциальной яме размером Яи и глубиной Ио, являющегося результатом отталкивающего обменного взаимодействия с молекулами. Расположение ямы радиуса Я и поверхностное натяжение показаны на рисунке5.

Элемент позитрония, попадающий в электронный слой толщины 5 (рисунок 5) вторгается в яму. Следовательно, когда Я стремится к нулю (нет впадины) или, эквивалентно К ^ 5, пузырек позитрония аннигилирует и преобразовывается в слабо связанное квазисвободное состояние позитрония

(кс^), которое существует в невозмущенной среде (без любой молекулярной перестановки, стимулируемой присутствием позитрония). Это позволяет приравнять E к Ц0, или, другими словами, получить соотношение кЯ =я/ 2. Выражение для времени жизни о^ позволяет получить параметр предела ямы кЯЦ.

Получив все параметры пузырька позитрония, мы теперь обращаем внимание на то, что они должны удовлетворять принципу минимума полной

ёЕ

энергии, а именно —— = 0,

ёЯ

Е,о: = Е,+ Е = ] Ш,3г + ^, (15)

•> у Ат

*(я„) _ к4 к3ик

Яая1(киЯи - 1апкиЯи)

(16)

где Я" = (яа2вЯ /8<тш)14, ав - Боровский радиус и я - константа Ридберга.

Таким образом, один из способов изучения зависимости искривления от поверхностного натяжения в микроскопическом пузырьке - это исследование аннигиляции позитронов в жидкости.

В своей работе А. П. Бучихин [4] вместе с коллегами подтвердил применимость модели к органическим жидкостям, сравнивая значения глубины потенциальной ямы и, радиуса «пузырька» Я и кЯ, полученные временным и корреляционным методами.

1.5 «Пузырьковая» модель взаимодействия.

При рассмотрении системы атом позитрония - жидкость выделяют два крайних случая:

1. Слабое взаимодействие Ps со средой, когда изменением структуры жидкости в результате взаимодействия можно пренебречь.

2. Сильное взаимодействие, когда отталкивание атома Ps - жидкость настолько велико, что образование в результате полости в жидкости и локализация внутри нее Ps приводит к состояниям с более низкой свободной энергией, чем без изменения структуры жидкости. В этом случае для описания поведения позитрония применяют «пузырьковую» модель [5].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пивцаев Алексей Александрович, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. E. C. Miller, Cancer Res. 38, 1479 (1978), and references therein.

2. V. M. Byakov, at all. PAL spectroscopy and testing for potential carcinogens. Physics status solidi.

3. С. В. Степанов, В. М. Бяков. Что говорят позитроны о структуре и свойствах жидких сред?// Журнал структурной химии, - 2002., №6. -С.1026 - 1049

4. А. П. Бучихин, В. И. Гольданский, А. О. Татур, В. П. Шантарович Атом позитрония в органических жидкостях. //Журнал экспериментальной и теоретической физики, - 1971. - 60, №3. - С. 1136 - 1140.

5. В. И. Гольданский. Физическая химия позитрона и позитрония. М.: Наука, 1968.

6. R. A. Ferrell, "Long lifetime of positronium in liquid helium," Physical Review, vol. 108, no. 2, pp. 167-168, 1957.

7. S. Tao, Positronium annihilation in molecular substances.// J. Chem. Phys vol. 56 pp. 5499-5510, 1972.

8. M. Eldrup, D. Lightbody, and J. N. Sherwood, The temperature dependence of positron lifetimes in solid pivalic acid. Chem. Phys, vol. 63, pp. 51-58. DOI: 10.1016/0301-0104(81)80307-2, 1981.

9. J. Wackerle, R. Stump //Phys. Rev. 1957. V. 106. №1. P. 18.

10.W. Brandt, S. Berko, and W. W. Walker, Phys. Rev.120, p. 1289, 1960 11.I. Iakubov, A. Khrapak. Self-trapped states of positrons and positronium

indense gases and liquids // Reports on Progress in Physics. 1982. Vol. 45. pp. 697-751.

12.S. Stepanov, K. Mikhin, D. Zvezhinskii, V. Byakov. Energy dissipation

and Ps bubble growth in liquids // Rad. Phys. Chem. 2007. Vol. 76(2). 13.А. А. Пивцаев, В. И. Разов Программа для расчета параметров «пузырька» позитрония// Международный научно-

исследовательский журнал № 2 (44) часть 2 2015, с. 72 - 77. DOI: 10.18454/IRJ.2016.44.003

14.А. В. Гольданский, В. А. Онищук, В. П. Шантарович, В. В. Волков, Ю. П. Ямпольский // Химическая физика, т. 7, н. 5, 1988 г.

15. E. Л. Прокопьев. Особенности определения свободных объемов и их распределение по радиусам в технически важных материалах методом ПАВ спектроскопии // 46 Совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. Тезисы. Докладов, ПИЯФ, Санкт-Петербург, 1996, 377-378.

16.Е. Ковальский, Ядерная электроника// Атомиздат 1972.

17.Y. Ito, Hamdy F. M. Mohamed, V. M. Byakov, and S.V.Stepanov, J. Radioanalyt. Nucl. Chem. 210, 607 (1996).

18.http://dvfu.ru/web/otdel-organizacii-naucno-issledovatelskoj-raboty-studentov/publikacii-oonirs;«Материалы Международного научного форума студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона - 2012» Пивцаев А.А. «ПАВС в изучении свойств канцерогена этидиум бромида C21H20BrN3».

19.Г. А. Белицкий. Химический канцерогенез.

20.Канцерогенез. Под редакцией Д.Г. Заридзе.— М.: Медицина, 574 с.

21.Г. А. Белицкий, Прогноз канцерогенности фармакологических средств и воспомогательных веществ в краткосрочных тестах. Ведомости фармкомитета, 1999, 1, с. 18-31.

22.L. M. Franks, N. M. Teich and eds. Cellular and molecular biology of cancer. Third Edition. Oxford University Press. Oxford, N.Y., Tokyo, 1997, pp. 1-458.

23.Типовые патологические процессы // Н.П. Чеснокова - Саратов: Изд-во Саратовского медицинского университета, 2004, 400 с.

24. О. Ю. Янковский Токсичность кислорода и биологические системы. Эволюционные, экологические и медико-биологические аспекты СПб., 2000, 295 с.

25.Alfredo Budillon. // Cancer.-1995.- №10.-Р.1869-1873.

26.A. A. Caro, Annu Rev. Pharmacol. Toxicol., 2004, Vol. 44, pp.27-42.

27.Е. Е. Дубинина, И. В. Шугалей // Успехи современ. биологии. 1993. Т.113. Вып.1. с.71-81.

28.В. П. Скулачев // Биохимия. 1998. Т.63. Вып.11. с. 1570-1579.

29.Report on Carcinogens, Twelfth Edition 2011, U. S. Department of Health and Human Services National Toxicology Program.

30.http://am-am.su

31.http://vrachevan.info/?p=504, «Последние исследования в области безопасности синтетических красителей».

32.http://am-am.su/111-pischevoy-krasitel-e124-ponso-4r.html

33.http://www.palsfit.dk

34.A. A. Pivtsaev, V. I. Razov, and V. O. Karasev A study of chemical carcinogens by the positron annihilation lifetime spectroscopy // Journal of applied spectroscopy, v. 80, n 5, p. 806-809.

35.Патент № 2546991 от 05.03.2015.

36.A. A. Pivtsaev, V. I. Razov The study of synthetic food dyes by positron annihilation lifetime spectroscopy// Journal of Physics: Conference Series 618 (2015) 012027 doi:10.1088/1742-6596/618/1/012027.

37.A. A. Pivtsaev, V. I. Razov. Detection of the carcinogenic properties of synthetic and natural dyes using positron annihilation lifetime spectrometry.// Toxicology Research, 2016, 5, pp. 1306 - 1308, DOI: 10.1039/C6TX00147E.

38.А. А. Пивцаев, В. И. Разов, Время жизни позитрония в антиоксидантах и канцерогенах// Международный научно-исследовательский журнал № 8 (39) 2015, с. 120 - 122.

39.A. A. Pivtsaev, V. I. Razov, Lifetime of Positronium in Carcinogenic and Noncarcinogenic Chemicals.\\ Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2016, Vol. 10 No. 4, pp. 816-819. DOI: 10.1134/S10274510160 40339.

40.D. A. L. Paul, R. L. Graham // Phys. Rev. 1957. V. 106. №1. P. 16.

41.H. Nakanishi, Y. C. Jean, Positron and Positronium Chemistry. // Elsevier, 1988. P. 159.

42.K. Abend, E. Vogelsang, Nukleare Elektronik // Thiemig-Verlag, Munchen, 1973.

43.S. Stepanov, K. Mikhin, D. Zvezhinskii, V. Byakov. Energy dissipation and Ps bubble growth in liquids // Rad. Phys. Chem. 2007. Vol. 76(2). Pp. 275-279.

44. С. П. Тимошенков, Ю. А. Чаплыгин, В. И. Графутин, Е. П. Прокопьев, Ю. В. Фунтиков. Позитроника и нанотехнологии: определение радиусов нанообъектов пустоты в пористом кремнии и кремнии, облученном протонами. // Нанотехника. 2008. №3(15). C. 82-84

45. S. Stepanov, V. Byakov, D. Zvezhinskiy, G. Duplatre, Y. Lomachuk. Positronium formation in a liquid phase: Influence of intratrack reactions and temperature // Phys. Status Solidi (C). 2009. Vol. 6 (11). P.2476-2481.

46. N. Djourelov, N. Charvin, C. Bas, J. Viret, V. Samoylenko, D. Sillou. Symmetric analog positron lifetime spectrometer utilizing charge-to-digital converters// NIM B. 2007. Vol. 264. Pp. 165-170.

47.Е. П. Прокопьев, В. И. Графутин, С. П. Тимошенков, Ю. В. Фунтиков. Возможности исследования пористых систем и наноматериалов методом позитронной аннигиляционной спектроскопии // Дефектоскопия. 2008. №10. С.55-70.

48. V. B. Mikheev, P. M. Irving, N. S. Laulainena, S. E. Barlow, V. V. Pervukhin //J. Chem. Phys. 2002. V. 116. P. 10772.

49. В. И. Графутин, Т. Н. Мамедов, И. Н. Мешков, В. Н. Павлов, Е. П. Прокопьев, С. П. Тимошенков, Ю. В. Фунтиков, Н. О. Хмелевский, Ю. А. Чаплыгин, С. Л. Яковенко. Возможности изучения пористых систем и наноматериалов методом позитронной аннигиляционной спектроскопии. // Ядерная физика и нанотехнологии. Ядерно-физические аспекты формирования, изучения и применения наноструктур. Под общей редакцией А. Н. Сисакяна. Дубна: ОИЯИ, 2008. С.223-241.

50. V. I. Razov, N. P. Shapkin, A. A. Pivtsaev, V. O. Trukhin Research basic series N-alcohol by positron annihilation spectroscopy. // Russian Journal of Physical Chemistry A July 2016, Volume 90, Issue 7, pp 1496-1497 DOI 10.1134/S0036024416070256.

51.С. А. Гаврилов, В. И. Графутин, О. В. Илюхина и др. // Письма в ЖЭТФ. - 2005. - Т.81, вып.11-12. - С. 680 - 682.

52.A. Z. Varisov, V. I. Grafutin, Zaluzhnyi, et al. About diffusion of positrons and positronium in nanomaterials. Journal of Surface Investigation, Synchrotron and Neutron Techniques (Rus.) // 2007, №11, 1-8.

53. С. П. Тимошенков, Е. П. Прокопьев, В. В. Калугин, В. И. Графутин, О. М. Бритков, С. С. Евстафьев. Позитроника и нанотехнологии: Определение радиусов нанообъектов в пористых системах и некоторых дефектных материалах методом ПАС. // Часть I. Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 2008. №4. С.28-36.

54.В. И. Графутин, О. В. Илюхина, Г. Г. Мясищева, Е. П. Прокопьев, С. П. Тимошенков, Ю. В. Фунтиков, Р. Бурцл. Позитроника и нанотехнологии: возможности изучения нанообъектов в материалах и наноматериалах методом позитронной аннигиляционной спектроскопии.// Ядерная физика. Т.72. №10. 2009. C.1730-1739.

55.J. Cizek, F. Becvar, I. Prochazka // Nuclear Instruments and Methods in Physics research A 450 (2000) 325-337.

56.Gregory R B and Wen Su 1992 Mater. Sci. Forum 105-110 1875