Il tempo di dimezzamento di un materiale radioattivo diminuisce se la sua temperatura aumenta?
Se ad alte temperature gli atomi interagiscono più intensamente tra loro o emettono fotoni che potrebbero anche far vibrare il nucleo. In queste circostanze è più probabile che il materiale radioattivo si fissioni più velocemente? Può essere usato per sbarazzarsi dei rifiuti radioattivi?
Risposte
Negli anni successivi alla scoperta della radioattività, fisici e chimici (ricordiamo che Rutherford ricevette il premio Nobel per la Chimica!) studiarono l'effetto del riscaldamento delle sostanze radioattive. Non sono stati in grado di rilevare alcun effetto sull'attività e quindi nessuno sull'emivita. Ciò fu interpretato (non appena l'atomo fu stabilito come un nucleo circondato da elettroni) come prova che la radiazione provenisse dal nucleo.
L'argomento era - ed è tuttora - che anche a temperature di fornace (diciamo fino a 3000 K) ci saranno disturbi alle configurazioni degli elettroni, ma sarà raro che gli atomi siano totalmente privati degli elettroni, e le violente collisioni internucleari saranno molto rare . Solo tali collisioni potrebbero influenzare l'emissione di una particella da un nucleo instabile.
A temperature e densità molto più elevate (ad esempio in un tokamak o in una stella) saranno comuni violente collisioni internucleari, e immagino che l'emivita dei nuclei instabili sarebbe ridotta, ma questo non è, per quanto ne so, rilevabile a temperature terrestri "ordinarie".
Ci sono già due risposte buone e corrette. Soprattutto considerando che l'OP chiede principalmente dei processi di fissione, queste risposte catturano la fisica principale. Vorrei solo sottolineare che esistono processi di decadimento nel nucleo che vengono influenzati dalla temperatura , anche a temperatura ambiente.
Un esempio importante sono i famosi nuclei di Mössbauer, che presentano un decadimento gamma senza rinculo . Diamo un'occhiata a un tipico isotopo di esempio e alla sua catena di decadimento. Il 57Co decade radioattivamente (in effetti per cattura elettronica, che è stato dato come altro esempio in un'altra risposta) in 57Fe. La cosa bella è che finisce in uno stato nucleare eccitato di 57Fe, che successivamente decade rilasciando un fotone gamma.
Queste transizioni sono utilizzate nella spettroscopia Mössbauer e hanno molte applicazioni. Uno è studiare gli spettri dei fononi e le vibrazioni del reticolo , che sono fortemente influenzate dalla temperatura.
Ad esempio, il cosiddetto fattore Lamb-Mössbauer è spesso direttamente dipendente dalla temperatura ed è a sua volta direttamente correlato all'allargamento della larghezza della linea naturale e quindi al tempo di dimezzamento/decadimento.
Si noti che questo effetto non deriva da un'influenza diretta sul nucleo, ma da un'influenza sui canali di decadimento e sul conseguente rinculo nucleare. Questo spiega perché le scale energetiche della variazione di temperatura non devono essere quelle nucleari.
Sembra che tu stia confondendo due concetti separati. L'emivita di un isotopo radioattivo fornisce la velocità con cui i singoli atomi decadranno spontaneamente. La probabilità che un materiale fissile subisca una reazione a catena è molto diversa dalla sua emivita.
Per la maggior parte delle modalità di decadimento radioattivo l'emivita di un isotopo radioattivo è indipendente da fattori ambientali come temperatura, pressione, legami chimici, campi elettrici o magnetici. Ciò è stato confermato da esperimenti molto accurati.
L'unica eccezione nota è che alcune modalità di decadimento radioattivo che coinvolgono gli elettroni nell'atomo (come la cattura di elettroni ) sono leggermente influenzate da legami chimici che possono modificare la forma dei gusci di elettroni attorno a un atomo. Per maggiori dettagli vedere questo articolo di Wikipedia .
Ciò che dipende dalla temperatura (e da molti altri fattori ambientali) è la sezione d'urto dei neutroni di un materiale fissile - la probabilità che un neutrone emesso nel decadimento di un nucleo interagisca con un altro nucleo. Questo a sua volta determina se avrà luogo o meno una reazione a catena.
Le altre risposte hanno fornito alcuni casi esotici in cui fattori esterni come la temperatura possono influenzare alcuni aspetti dei processi nucleari (sezione d'urto di cattura dei neutroni). Tuttavia, la risposta generale è no, la temperatura non influisce sull'emivita di un isotopo.
Per espandere il motivo per cui non vi è alcun effetto, considera che (come dici nella tua domanda) ciò che percepiamo come temperatura è in realtà la vibrazione degli atomi. Puoi calcolare l'energia vibrazionale degli atomi a varie temperature e scoprirai che per temperature tipiche raggiunte nelle reazioni chimiche, le energie sono dell'ordine di diversi elettronvolt (eV). Le reazioni nucleari, invece, avvengono a energie di pochi mega-elettronvolt (MeV).
Quindi le reazioni nucleari sono circa sei ordini di grandezza più energetiche delle reazioni chimiche.
Tuttavia, esiste un modo per accelerare il decadimento nucleare aggiungendo energia. Devi solo aggiungere energia alla scala dei MeV. Puoi farlo usando un intenso raggio di particelle. L'idea è teoricamente valida , ma non è stata ancora sviluppata sperimentalmente.
C'è un effetto relativistico.
Secondo la relatività ristretta, un orologio (relativamente) in movimento ticchetta più lentamente. Ciò significa che ad alte velocità, una particella sopravvive in media un po' più a lungo prima di decadere.
A una temperatura più alta, le particelle in un gas viaggeranno più velocemente, quindi decadranno un po' più lentamente. L'effetto sarà davvero piccolo fino a quando le loro velocità non si avvicineranno a una frazione apprezzabile della velocità della luce.
Ho solo sentito parlare di questo effetto osservato negli acceleratori di particelle e nei raggi cosmici. La teoria dovrebbe reggere se potessi riscaldare un gas abbastanza da rendere osservabili gli effetti relativistici (il che è difficile, per non dire altro), ma a quella temperatura avrai tutti i tipi di altri effetti nucleari.