Initial yield of hydrated electron production from water radiolysis based on first-principles calculation

第一原理計算による水の放射線分解に関する水和電子の初期収量予測

甲斐 健師   ; 樋川 智洋   ; 松谷 悠佑*  ; 平田 悠歩   ; 手塚 智哉*; 土田 秀次*; 横谷 明徳*

Kai, Takeshi; Toigawa, Tomohiro; Matsuya, Yusuke*; Hirata, Yuho; Tezuka, Tomoya*; Tsuchida, Hidetsugu*; Yokoya, Akinari*

水の放射線分解に関する科学的知見は、生命科学などに幅広く利用されるが、水の分解生成物であるラジカルの生成メカニズムは未だ良く分かっていない。我々は、放射線物理の観点から、この生成メカニズムを解く計算コードの開発に挑戦し、第一原理計算により、水中の二次電子挙動は、水との衝突効果のみならず分極効果にも支配されることを明らかにした。さらに、二次電子の空間分布をもとに、電離と電子励起の割合を予測した結果、水和電子の初期収量の予測値は、放射線化学の観点から予測された初期収量を再現することに成功した。この結果は、開発した計算コードが放射線物理から放射線化学への合理的な時空間接続を実現できることを示している。本研究成果は、水の放射線分解の最初期過程を理解するための新たな科学的知見になることが期待できる。

Scientific insights of water radiolysis are widely used in the life sciences and so on, however, the formation mechanism of radicals, a product of water radiolysis, is still not well understood. We are challenging to develop a simulation code to solve this formation mechanism from the viewpoint of radiation physics. Our first-principles calculations have revealed that the behavior of secondary electrons in water is governed not only by collisional effects but also by polarization effects. Furthermore, from the predicted ratio of ionization to electronic excitation, based on the spatial distribution of secondary electrons, we successfully reproduce the initial yield of hydrated electrons predicted in terms of radiation chemistry. The code provides us a reasonable spatiotemporal connection from radiation physics to radiation chemistry. Our findings are expected to provide newly scientific insights for understanding the earliest stages of water radiolysis.