방사성 물질의 온도가 상승하면 반감기가 감소합니까?
고온에서 원자가 서로 더 강하게 상호 작용하거나 광자를 방출하여 코어를 진동시킬 수도 있습니다. 이러한 상황에서 방사성 물질이 더 빨리 분열 할 가능성이 있습니까? 방사성 쓰레기를 제거하는 데 사용할 수 있습니까?
답변
방사능이 발견 된 후 몇 년 동안 물리학 자와 화학자 (러더퍼드가 노벨 화학상을 수상했습니다!)는 방사성 물질을 가열하는 효과를 조사했습니다. 그들은 활동에 영향을 미치지 않았으므로 반감기에 영향을 미치지 않았습니다. 이것은 방사선이 핵에서 나왔다는 증거로 (원자가 전자로 둘러싸인 핵으로 확립 되 자마자) 해석되었습니다.
논증은 – 그리고 여전히 – 심지어 용광로 온도 (예를 들어 3000K까지)에서도 전자 구성에 교란이있을 것이지만 원자가 전자를 완전히 제거하는 경우는 드물며 격렬한 핵간 충돌은 매우 드뭅니다. . 그러한 충돌 만이 불안정한 핵으로부터 입자의 방출에 영향을 미칠 수 있습니다.
훨씬 더 높은 온도와 밀도 (예 : 토카막 또는 별)에서 격렬한 핵간 충돌이 흔할 것이며 불안정한 핵의 반감기가 줄어들 것이라고 생각하지만 이것은 내가 아는 한 그렇지 않습니다. '보통'지상 온도에서 감지 할 수 있습니다.
이미 두 가지 좋은 정답이 있습니다. 특히 OP가 주로 핵분열 과정에 대해 묻는 것을 고려할 때 이러한 답변은 주요 물리학을 포착합니다. 저는 실온 규모에서도 온도의 영향을받는 핵의 붕괴 과정이 존재 한다는 점을 지적하고 싶습니다 .
눈에 띄는 예는 반동이없는 감마 붕괴 를 특징으로하는 유명한 Mössbauer 핵 입니다. 전형적인 동위 원소의 예를 살펴 보겠습니다. 이것은 붕괴 사슬입니다. 57Co는 57Fe로 방사성으로 붕괴합니다 (실제로 전자 포획에 의해 다른 답변에서 다른 예로 제공됨). 멋진 것은 57Fe의 여기 된 핵 상태로 끝나고 감마 광자를 방출하여 붕괴된다는 것입니다.
이러한 전환은 Mössbauer 분광법에 사용되며 다양한 용도로 사용됩니다. 하나는 온도의 영향을 많이받는 포논 스펙트럼과 격자 진동 을 연구 하는 것입니다.
예를 들어, 소위 Lamb-Mössbauer 계수 는 온도에 직접적으로 의존하는 경우가 많으며, 이는 자연 선폭의 확장 및 반감기 / 감쇠 시간과 직접적으로 관련됩니다.
이 효과는 핵에 대한 직접적인 영향이 아니라 붕괴 채널과 그에 따른 핵 반동에 대한 영향에서 비롯됩니다. 이것은 왜 온도 변화의 에너지 규모가 핵일 필요가 없는지를 설명합니다.
두 개의 개별 개념을 혼동하는 것 같습니다. 방사성 동위 원소의 반감기는 개별 원자가 자발적으로 붕괴하는 속도를 제공합니다. 핵분열 성 물질이 연쇄 반응을 일으킬 가능성은 반감기와는 상당히 다릅니다.
대부분의 방사성 붕괴 모드에서 방사성 동위 원소의 반감기는 온도, 압력, 화학 결합, 전기장 또는 자기장과 같은 환경 요인과 무관합니다. 이것은 매우 정확한 실험으로 확인되었습니다.
유일한 알려진 예외는 원자의 전자를 포함하는 일부 방사성 붕괴 모드 (예 : 전자 포획 )가 원자 주변의 전자 껍질 모양을 변경할 수있는 화학 결합에 의해 약간 영향을 받는다는 것입니다. 자세한 내용은 이 Wikipedia 기사를 참조하십시오 .
온도 (및 기타 많은 환경 요인)에 의존하는 것은 핵분열 성 물질 의 중성자 단면 입니다. 즉, 한 핵의 붕괴에서 방출 된 중성자가 다른 핵과 상호 작용할 확률입니다. 이것은 차례로 연쇄 반응이 일어날 지 여부를 결정합니다.
다른 해답은 온도와 같은 외부 요인이 핵 과정의 일부 측면 (중성자 포획 단면)에 영향을 미칠 수있는 몇 가지 이국적인 사례를 제시했습니다. 그러나 전반적인 대답은 '아니오'입니다. 온도는 동위 원소의 반감기에 영향을주지 않습니다.
효과가없는 이유를 확장하려면 (당신이 질문에서 언급했듯이) 우리가 온도로 인식하는 것이 실제로 원자의 진동이라고 생각하십시오. 다양한 온도에서 원자의 진동 에너지를 계산할 수 있으며 화학 반응에서 달성되는 일반적인 온도의 에너지는 수 전자 볼트 (eV) 정도라는 것을 알 수 있습니다. 반면에 핵 반응은 수 메가 전자 볼트 (MeV)의 에너지에서 발생합니다.
따라서 핵 반응은 화학 반응보다 약 6 배 더 강력합니다.
그러나 에너지를 추가하여 핵 붕괴를 가속화하는 방법이 있습니다. MeV의 규모로 에너지를 추가하기 만하면됩니다. 강렬한 입자 빔을 사용하여이를 수행 할 수 있습니다. 이 아이디어는 이론적으로 건전 하지만 아직 실험적으로 개발되지 않았습니다.
상대 주의적 효과가 있습니다.
특수 상대성 이론에 따르면 (상대적으로) 움직이는 시계는 느리게 틱합니다. 이것이 의미하는 바는 고속에서 입자가 붕괴되기 전에 평균적으로 조금 더 오래 생존한다는 것입니다.
더 높은 온도에서 가스의 입자는 더 빨리 이동하므로 조금 더 느리게 붕괴됩니다. 속도가 빛의 속도의 상당한 부분에 가까워 질 때까지 효과는 매우 작습니다.
나는이 효과가 입자 가속기와 우주선에서 관찰된다는 것을 들어 본 적이 있습니다. 이론은 상대 론적 효과가 관찰 될 수있을만큼 충분히 가스를 가열 할 수 있다면 (적어도 어렵지만) 그 온도에서 여러분은 모든 종류의 다른 핵 효과를 갖게 될 것입니다.