Czy czas półtrwania materiału radioaktywnego zmniejsza się, gdy jego temperatura wzrasta?
Jeśli w wysokich temperaturach atomy intensywniej oddziałują ze sobą lub emitują fotony, które również mogą wprawiać rdzeń w drgania. Czy w takich okolicznościach istnieje większe prawdopodobieństwo szybszego rozszczepienia materiału radioaktywnego? Czy można to wykorzystać do pozbycia się radioaktywnych śmieci?
Odpowiedzi
W latach następujących po odkryciu radioaktywności fizycy i chemicy (przypomnijmy sobie, że Rutherfordowi przyznano nagrodę Nobla w dziedzinie chemii!) Badali wpływ ogrzewania substancji radioaktywnych. Nie mogli wykryć żadnego wpływu na aktywność, a zatem żadnego na okres półtrwania. Zostało to zinterpretowane (gdy tylko atom został ustanowiony jako jądro otoczone elektronami) jako dowód, że promieniowanie pochodziło z jądra.
Argumentem był - i nadal jest - że nawet w temperaturach pieca (powiedzmy do 3000 K) wystąpią zakłócenia w konfiguracji elektronów, ale atomy będą rzadko całkowicie pozbawione elektronów, a gwałtowne zderzenia między jądrami będą bardzo rzadkie . Tylko takie zderzenia mogłyby wpłynąć na emisję cząstki z niestabilnego jądra.
Przy znacznie wyższych temperaturach i gęstościach (np. W tokamaku lub w gwieździe) gwałtowne zderzenia międzyjądrowe będą powszechne i przypuszczam, że okres półtrwania niestabilnych jąder zostałby skrócony, ale nie jest to, o ile wiem, wykrywalne w „zwykłych” ziemskich temperaturach.
Są już dwie dobre i poprawne odpowiedzi. Zwłaszcza biorąc pod uwagę, że PO dotyczy głównie procesów rozszczepienia, odpowiedzi te obejmują podstawową fizykę. Chciałbym tylko zaznaczyć, że istnieją procesy rozpadu w jądrze, na które wpływa temperatura , nawet w skali pokojowej.
Wybitnym przykładem są słynne jądra Mössbauera, które charakteryzują się bezodrzutowym rozpadem gamma . Spójrzmy na typowy przykład izotopu i jego łańcuch rozpadu. 57Co rozpada się radioaktywnie (faktycznie przez wychwytywanie elektronów, co podano jako kolejny przykład w innej odpowiedzi) do 57Fe. Fajne jest to, że kończy się w wzbudzonym stanie jądrowym 57Fe, który następnie rozpada się, uwalniając foton gamma.
Te przejścia są wykorzystywane w spektroskopii Mössbauera i mają wiele zastosowań. Jednym z nich jest badanie widm fononów i drgań sieci , na które silnie wpływa temperatura.
Na przykład tak zwany czynnik Lamb-Mössbauera jest często bezpośrednio zależny od temperatury, a z kolei jest bezpośrednio związany z poszerzeniem naturalnej szerokości linii, a tym samym z czasem półtrwania / rozpadu.
Zauważ, że efekt ten nie pochodzi z bezpośredniego wpływu na jądro, ale z wpływu na kanały rozpadu i wynikający z tego odrzut jądrowy. To wyjaśnia, dlaczego skale energetyczne wahań temperatury nie muszą być skalami jądrowymi.
Wydaje się, że mylisz dwie odrębne koncepcje. Okres półtrwania izotopu promieniotwórczego określa szybkość, z jaką poszczególne atomy będą samorzutnie rozpadać się. Prawdopodobieństwo, że materiał rozszczepialny przejdzie reakcję łańcuchową, różni się znacznie od jego okresu półtrwania.
W przypadku większości rodzajów rozpadu radioaktywnego okres półtrwania izotopu promieniotwórczego jest niezależny od czynników środowiskowych, takich jak temperatura, ciśnienie, wiązania chemiczne, pola elektryczne lub magnetyczne. Potwierdziły to bardzo dokładne eksperymenty.
Jedynym znanym wyjątkiem jest to, że na niektóre rodzaje rozpadu radioaktywnego, które obejmują elektrony w atomie (takie jak wychwytywanie elektronów ), w niewielkim stopniu wpływają wiązania chemiczne, które mogą zmienić kształt powłok elektronowych wokół atomu. Więcej informacji można znaleźć w tym artykule w Wikipedii .
Od temperatury (i wielu innych czynników środowiskowych) zależy przekrój neutronu materiału rozszczepialnego - prawdopodobieństwo, że neutron wyemitowany podczas rozpadu jednego jądra będzie oddziaływał z innym jądrem. To z kolei decyduje o tym, czy nastąpi reakcja łańcuchowa.
Inne odpowiedzi przyniosły kilka egzotycznych przypadków, w których czynniki zewnętrzne, takie jak temperatura, mogą wpływać na niektóre aspekty procesów jądrowych (przekrój wychwytu neutronów). Jednak ogólna odpowiedź brzmi: nie, temperatura nie wpływa na okres półtrwania izotopu.
Aby wyjaśnić, dlaczego nie ma żadnego efektu, rozważ, jak wspomniałeś w swoim pytaniu, że to, co postrzegamy jako temperaturę, jest w rzeczywistości wibracją atomów. Możesz obliczyć energię drgań atomów w różnych temperaturach i przekonasz się, że dla typowych temperatur osiąganych w reakcjach chemicznych, energie są rzędu kilku elektronowoltów (eV). Z drugiej strony reakcje jądrowe zachodzą przy energiach kilku megaelektronowoltów (MeV).
Zatem reakcje jądrowe są około sześciu rzędów wielkości bardziej energetyczne niż reakcje chemiczne.
Istnieje jednak sposób na przyspieszenie rozpadu jądrowego poprzez dodanie energii. Wystarczy dodać energię w skali MeV. Możesz to zrobić za pomocą intensywnej wiązki cząstek. Pomysł jest teoretycznie rozsądny , ale nie został jeszcze eksperymentalnie opracowany.
Jest efekt relatywistyczny.
Według szczególnej teorii względności (względnie) poruszający się zegar tyka wolniej. Oznacza to, że przy dużych prędkościach cząstka przetrwa średnio trochę dłużej, zanim się rozpadnie.
W wyższej temperaturze cząsteczki gazu będą przemieszczać się szybciej, więc rozpadną się nieco wolniej. Efekt będzie naprawdę mały, dopóki ich prędkości nie osiągną znacznego ułamka prędkości światła.
Słyszałem tylko o tym efekcie obserwowanym w akceleratorach cząstek i promieniach kosmicznych. Teoria powinna się sprawdzić, gdybyś mógł podgrzać gaz na tyle, aby można było zaobserwować efekty relatywistyczne (co jest co najmniej trudne), ale w tej temperaturze wystąpią wszystkie inne efekty jądrowe.