Le temps de demi-vie d'un matériau radioactif diminue-t-il si sa température augmente ?
Si à des températures élevées, les atomes interagissent plus intensément les uns avec les autres ou émettent des photons, cela pourrait également faire vibrer le noyau. Dans ces circonstances, la matière radioactive est-elle plus susceptible de se fissonner plus rapidement ? Cela peut-il être utilisé pour se débarrasser des déchets radioactifs ?
Réponses
Dans les années qui ont suivi la découverte de la radioactivité, des physiciens et des chimistes (rappelez-vous que Rutherford a reçu le prix Nobel de chimie !) ont étudié l'effet du chauffage des substances radioactives. Ils n'ont pu détecter aucun effet sur l'activité, et donc aucun sur la demi-vie. Cela a été interprété (dès que l'atome avait été établi comme un noyau entouré d'électrons) comme une preuve que le rayonnement provenait du noyau.
L'argument était - et est toujours - que même à des températures de four (disons jusqu'à 3000 K), il y aura des perturbations dans les configurations électroniques, mais il sera rare que les atomes soient totalement dépouillés d'électrons, et les collisions internucléaires violentes seront très rares. . Seules de telles collisions seraient susceptibles d'influencer l'émission d'une particule à partir d'un noyau instable.
À des températures et des densités beaucoup plus élevées (par exemple dans un tokamak ou dans une étoile), les collisions internucléaires violentes seront courantes, et je suppose que les demi-vies des noyaux instables seraient réduites, mais ce n'est pas, pour autant que je sache, détectable à des températures terrestres "ordinaires".
Il y a déjà deux bonnes et bonnes réponses. Surtout si l'on considère que l'OP pose principalement des questions sur les processus de fission, ces réponses capturent la physique principale. Je voudrais juste souligner qu'il existe des processus de désintégration dans le noyau qui sont affectés par la température , même à l'échelle de la température ambiante.
Un exemple frappant sont les célèbres noyaux de Mössbauer, qui présentent une désintégration gamma sans recul . Regardons un exemple typique d'isotope et sa chaîne de désintégration. Le 57Co se désintègre radioactivement (en fait par capture d'électrons, qui a été donnée comme autre exemple dans une autre réponse) en 57Fe. Ce qui est cool, c'est qu'il se retrouve dans un état nucléaire excité de 57Fe, qui se désintègre ensuite en libérant un photon gamma.
Ces transitions sont utilisées en spectroscopie Mössbauer et ont de nombreuses applications. L'une consiste à étudier les spectres de phonons et les vibrations du réseau , qui sont fortement influencés par la température.
Par exemple, le facteur dit de Lamb-Mössbauer dépend souvent directement de la température et est à son tour directement lié à l'élargissement de la largeur de la raie naturelle et donc à la demi-vie/temps de décroissance.
Notez que cet effet ne provient pas d'une influence directe sur le noyau, mais d'une influence sur les canaux de désintégration et le recul nucléaire qui en résulte. Ceci explique pourquoi les échelles d'énergie de la variation de température ne doivent pas nécessairement être celles du nucléaire.
Vous semblez confondre deux notions distinctes. La demi-vie d'un isotope radioactif donne la vitesse à laquelle les atomes individuels se désintègrent spontanément. La probabilité qu'une matière fissile subisse une réaction en chaîne est très différente de sa demi-vie.
Pour la plupart des modes de désintégration radioactive, la demi-vie d'un isotope radioactif est indépendante des facteurs environnementaux tels que la température, la pression, les liaisons chimiques, les champs électriques ou magnétiques. Ceci a été confirmé par des expériences très précises.
La seule exception connue est que certains modes de désintégration radioactive qui impliquent les électrons dans l'atome (comme la capture d'électrons ) sont légèrement affectés par des liaisons chimiques qui peuvent modifier la forme des coquilles d'électrons autour d'un atome. Pour plus de détails, consultez cet article de Wikipédia .
Ce qui dépend de la température (et de nombreux autres facteurs environnementaux) est la section efficace des neutrons d'une matière fissile - la probabilité qu'un neutron émis lors de la désintégration d'un noyau interagisse avec un autre noyau. Cela détermine à son tour si une réaction en chaîne aura lieu ou non.
Les autres réponses ont proposé quelques cas exotiques où des facteurs externes tels que la température peuvent affecter certains aspects des processus nucléaires (section efficace de capture des neutrons). Cependant, la réponse globale est non, la température n'affecte pas la demi-vie d'un isotope.
Pour expliquer pourquoi il n'y a pas d'effet, considérez que (comme vous le mentionnez dans votre question) ce que nous percevons comme température est en fait la vibration des atomes. Vous pouvez calculer l'énergie vibratoire des atomes à différentes températures et vous constaterez que pour les températures typiques atteintes dans les réactions chimiques, les énergies sont de l'ordre de plusieurs électron-volts (eV). Les réactions nucléaires, en revanche, se produisent à des énergies de quelques méga-électron-volts (MeV).
Ainsi, les réactions nucléaires sont environ six ordres de grandeur plus énergétiques que les réactions chimiques.
Cependant, il existe un moyen d'accélérer la désintégration nucléaire en ajoutant de l'énergie. Il suffit d'ajouter de l'énergie à l'échelle des MeV. Vous pouvez le faire en utilisant un faisceau de particules intense. L'idée est théoriquement bonne , mais elle n'a pas encore été développée expérimentalement.
Il y a un effet relativiste.
Selon la relativité restreinte, une horloge (relativement) en mouvement ralentit. Cela signifie qu'à des vitesses élevées, une particule survivra un peu plus longtemps en moyenne avant de se désintégrer.
À une température plus élevée, les particules d'un gaz se déplaceront plus rapidement, elles se désintégreront donc un peu plus lentement. L'effet sera vraiment faible jusqu'à ce que leurs vitesses approchent une fraction appréciable de la vitesse de la lumière.
J'ai seulement entendu parler de cet effet observé dans les accélérateurs de particules et les rayons cosmiques. La théorie devrait tenir si vous pouviez chauffer suffisamment un gaz pour que les effets relativistes deviennent observables (ce qui est difficile, c'est le moins qu'on puisse dire), mais à cette température, vous allez avoir toutes sortes d'autres effets nucléaires.