Consideration of the dielectric response for radiation chemistry simulations

誘電応答を考慮した放射線化学反応計算手法の開発

樋川 智洋   ; 甲斐 健師   ; 熊谷 友多   ; 横谷 明徳*

Toigawa, Tomohiro; Kai, Takeshi; Kumagai, Yuta; Yokoya, Akinari*

イオン化によって引き起こされる不均質反応であるスパー反応は、溶液中の放射線分解あるいは光分解反応を左右する重要な反応だが、そのスパーの形成プロセスはまだ解明されていない。その理由の1つとして、イオン化によって生成した荷電種を取り囲む溶媒和分子の誘電応答の影響がまだ明らかになっていないことが挙げられる。誘電応答は誘電率の時間変化に対応しており、スパー形成プロセスにおける反応拡散系に影響を与える可能性がある。そこで本研究では、誘電応答を考慮しながらDebye-Smoluchowski方程式を解くことにより、反応拡散系に対する誘電応答の影響を調べた。荷電種間に働くクーロン力は、誘電応答とともに徐々に減少する。本計算から、誘電応答が完了する前に荷電種間で反応が起こる条件を見積もることが出来た。これまで低LET放射線誘起によるイオン化で生成する自由電子の初期G値が静的な誘電率に依存することは報告されているが、荷電種間が密になる高LET放射線や光誘起の化学反応を扱う場合は誘電応答を考慮することが重要であることが示唆された。

The spur reaction is crucial for determining radiolysis or photolysis in liquid, but the spur expansion process has yet to be elucidated. One reason is the need to understand the role of the dielectric response of the solvating molecules surrounding the charged species generated by ionization. The dielectric response corresponds to the time evolution of the permittivity and might affect the chemical reaction-diffusion of the species in a spur expansion process. This study examined the competitive relationship between reaction-diffusion kinetics and the dielectric response by solving the Debye-Smoluchowski equation while considering the dielectric response. The Coulomb force between the charged species gradually decreases with the dielectric response. Our calculation results found a condition where fast recombination occurs before the dielectric response is complete. Although it has been reported that the primary G-values of free electrons depend on the static dielectric constant under low-linear-energy transfer radiation-induced ionization, we propose that considering the dielectric response can provide a deeper insight into fast recombination reactions under high-linear-energy transfer radiation- or photo-induced ionization. Our simulation method enables the understanding of fast radiation-induced phenomena in liquids.