¿Disminuye el tiempo de vida media de un material radiactivo si aumenta su temperatura?
Si a altas temperaturas los átomos interactúan más intensamente entre sí o emiten fotones que también podrían hacer vibrar el núcleo. ¿En estas circunstancias, es más probable que el material radiactivo se fisione más rápido? ¿Se puede usar esto para deshacerse de la basura radiactiva?
Respuestas
En los años posteriores al descubrimiento de la radiactividad, físicos y químicos (¡recuerde que Rutherford recibió el premio Nobel de Química!) investigaron el efecto del calentamiento de sustancias radiactivas. No pudieron detectar ningún efecto sobre la actividad y, por lo tanto, ninguno sobre la vida media. Esto se interpretó (tan pronto como el átomo se estableció como un núcleo rodeado de electrones) como evidencia de que la radiación procedía del núcleo.
El argumento era, y sigue siendo, que incluso a temperaturas de horno (digamos hasta 3000 K) habrá perturbaciones en las configuraciones electrónicas, pero será raro que los átomos se vean totalmente despojados de electrones, y las colisiones internucleares violentas serán muy raras. . Solo tales colisiones podrían influir en la emisión de una partícula desde un núcleo inestable.
A temperaturas y densidades mucho más altas (por ejemplo, en un tokamak o en una estrella), las colisiones internucleares violentas serán comunes, y supongo que la vida media de los núcleos inestables se reduciría, pero esto no es, hasta donde yo sé, detectable a temperaturas terrestres "ordinarias".
Ya hay dos respuestas buenas y correctas. Especialmente teniendo en cuenta que el OP pregunta principalmente sobre los procesos de fisión, estas respuestas capturan la física principal. Solo me gustaría señalar que existen procesos de descomposición en el núcleo que se ven afectados por la temperatura , incluso a escala de temperatura ambiente.
Un ejemplo destacado son los famosos núcleos de Mössbauer, que presentan decaimiento gamma sin retroceso . Veamos un ejemplo típico de isótopo y su cadena de descomposición. El 57Co se desintegra radiactivamente (de hecho, por captura de electrones, que se dio como otro ejemplo en otra respuesta) a 57Fe. Lo bueno es que termina en un estado nuclear excitado de 57Fe, que posteriormente se desintegra al liberar un fotón gamma.
Estas transiciones se utilizan en la espectroscopia de Mössbauer y tienen muchas aplicaciones. Una es estudiar los espectros de fonones y las vibraciones de la red , que se ven muy afectadas por la temperatura.
Por ejemplo, el llamado factor Lamb-Mössbauer a menudo depende directamente de la temperatura y, a su vez, está directamente relacionado con la ampliación del ancho de línea natural y, por lo tanto, con el tiempo de vida media/decaimiento.
Tenga en cuenta que este efecto no proviene de una influencia directa sobre el núcleo, sino de una influencia sobre los canales de desintegración y el retroceso nuclear resultante. Esto explica por qué las escalas de energía de la variación de temperatura no tienen por qué ser las nucleares.
Parece que estás confundiendo dos conceptos separados. La vida media de un isótopo radiactivo da la velocidad a la que los átomos individuales se desintegrarán espontáneamente. La probabilidad de que un material fisionable sufra una reacción en cadena es bastante diferente de su vida media.
Para la mayoría de los modos de desintegración radiactiva, la vida media de un isótopo radiactivo es independiente de factores ambientales como la temperatura, la presión, los enlaces químicos, los campos eléctricos o magnéticos. Esto ha sido confirmado por experimentos muy precisos.
La única excepción conocida es que algunos modos de desintegración radiactiva que involucran a los electrones en el átomo (como la captura de electrones ) se ven ligeramente afectados por enlaces químicos que pueden cambiar la forma de las capas de electrones alrededor de un átomo. Para obtener más detalles, consulte este artículo de Wikipedia .
Lo que depende de la temperatura (y de muchos otros factores ambientales) es la sección transversal de neutrones de un material fisible: la probabilidad de que un neutrón emitido en la desintegración de un núcleo interactúe con otro núcleo. Esto a su vez determina si se producirá o no una reacción en cadena.
Las otras respuestas han presentado algunos casos exóticos en los que factores externos como la temperatura pueden afectar algunos aspectos de los procesos nucleares (sección transversal de captura de neutrones). Sin embargo, la respuesta general es no, la temperatura no afecta la vida media de un isótopo.
Para ampliar por qué no hay efecto, considere que (como menciona en su pregunta) lo que percibimos como temperatura es en realidad la vibración de los átomos. Puede calcular la energía vibratoria de los átomos a varias temperaturas y encontrará que para las temperaturas típicas alcanzadas en las reacciones químicas, las energías son del orden de varios electronvoltios (eV). Las reacciones nucleares, por otro lado, ocurren a energías de unos pocos megaelectronvoltios (MeV).
Entonces, las reacciones nucleares son alrededor de seis órdenes de magnitud más energéticas que las reacciones químicas.
Sin embargo, existe una forma de acelerar la descomposición nuclear mediante la adición de energía. Solo hay que sumar energía a escala de MeVs. Puedes hacer esto usando un haz de partículas intenso. La idea es teóricamente sólida , pero aún no se ha desarrollado experimentalmente.
Hay un efecto relativista.
De acuerdo con la relatividad especial, un reloj en movimiento (relativamente) avanza más lento. Lo que esto significa es que a altas velocidades, una partícula sobrevivirá un poco más en promedio antes de descomponerse.
A una temperatura más alta, las partículas en un gas viajarán más rápido, por lo que se descompondrán un poco más lento. El efecto será realmente pequeño hasta que sus velocidades se acerquen a una fracción apreciable de la velocidad de la luz.
Solo he oído hablar de este efecto observado en aceleradores de partículas y rayos cósmicos. La teoría debería sostenerse si pudiera calentar un gas lo suficiente como para que los efectos relativistas se hicieran observables (lo cual es difícil, por decir lo menos), pero a esa temperatura tendrá todo tipo de otros efectos nucleares.