O tempo de meia-vida de um material radioativo diminui se sua temperatura aumentar?
Se em altas temperaturas os átomos estão interagindo mais intensamente uns com os outros ou emitindo fótons que também podem fazer o núcleo vibrar. Nestas circunstâncias, o material radioativo tem maior probabilidade de fissão mais rápida? Isso pode ser usado para se livrar do lixo radioativo?
Respostas
Nos anos que se seguiram à descoberta da radioatividade, físicos e químicos (lembre-se de que Rutherford recebeu o prêmio Nobel de Química!) investigaram o efeito do aquecimento de substâncias radioativas. Eles não puderam detectar nenhum efeito na atividade e, portanto, nenhum na meia-vida. Isso foi interpretado (assim que o átomo se estabeleceu como um núcleo cercado por elétrons) como evidência de que a radiação vinha do núcleo.
O argumento era – e ainda é – que mesmo em temperaturas de forno (digamos até 3000 K) haverá perturbação nas configurações eletrônicas, mas será raro que átomos sejam totalmente despojados de elétrons, e violentas colisões internucleares serão muito raras. . Somente tais colisões provavelmente influenciariam a emissão de uma partícula de um núcleo instável.
Em temperaturas e densidades muito mais altas (por exemplo, em um tokamak ou em uma estrela), colisões internucleares violentas serão comuns e eu imagino que as meias-vidas de núcleos instáveis seriam reduzidas, mas isso não é, até onde eu sei, detectável em temperaturas terrestres 'comuns'.
Já existem duas respostas boas e corretas. Especialmente considerando que o OP pergunta principalmente sobre processos de fissão, essas respostas capturam a física principal. Gostaria apenas de salientar que existem processos de decaimento no núcleo que são afetados pela temperatura , mesmo na escala de temperatura ambiente.
Um exemplo proeminente são os famosos núcleos de Mössbauer, que apresentam decaimento gama sem recuo . Vejamos um exemplo típico de isótopo e sua cadeia de decaimento. O 57Co decai radioativamente (na verdade, por captura de elétrons, que foi dado como outro exemplo em outra resposta) para 57Fe. O legal é que ele acaba em um estado nuclear excitado de 57Fe, que posteriormente decai liberando um fóton gama.
Essas transições são usadas na espectroscopia Mössbauer e têm muitas aplicações. Uma delas é estudar espectros de fônons e vibrações de rede , que são fortemente afetados pela temperatura.
Por exemplo, o chamado fator Lamb-Mössbauer é muitas vezes diretamente dependente da temperatura e, por sua vez, está diretamente relacionado ao alargamento da largura da linha natural e, portanto, ao tempo de meia-vida/decaimento.
Observe que esse efeito não vem de uma influência direta no núcleo, mas de uma influência nos canais de decaimento e no recuo nuclear resultante. Isso explica porque as escalas de energia da variação de temperatura não precisam ser as nucleares.
Você parece estar confundindo dois conceitos separados. A meia-vida de um isótopo radioativo dá a taxa na qual os átomos individuais irão decair espontaneamente. A probabilidade de um material físsil sofrer uma reação em cadeia é bem diferente de sua meia-vida.
Para a maioria dos modos de decaimento radioativo, a meia-vida de um isótopo radioativo é independente de fatores ambientais, como temperatura, pressão, ligações químicas, campos elétricos ou magnéticos. Isso foi confirmado por experimentos muito precisos.
A única exceção conhecida é que alguns modos de decaimento radioativo que envolvem os elétrons no átomo (como a captura de elétrons ) são levemente afetados por ligações químicas que podem alterar a forma das camadas de elétrons ao redor de um átomo. Para obter mais detalhes, consulte este artigo da Wikipédia .
O que depende da temperatura (e de muitos outros fatores ambientais) é a seção transversal de nêutrons de um material físsil - a probabilidade de um nêutron emitido no decaimento de um núcleo interagir com outro núcleo. Isso, por sua vez, determina se uma reação em cadeia ocorrerá ou não.
As outras respostas surgiram com alguns casos exóticos em que fatores externos, como a temperatura, podem afetar alguns aspectos dos processos nucleares (seção transversal de captura de nêutrons). No entanto, a resposta geral é não, a temperatura não afeta a meia-vida de um isótopo.
Para explicar por que não há efeito, considere que (como você mencionou em sua pergunta) o que percebemos como temperatura é, na verdade, vibração de átomos. Você pode calcular a energia vibracional dos átomos em várias temperaturas e descobrirá que, para temperaturas típicas alcançadas em reações químicas, as energias são da ordem de vários elétron-volts (eV). As reações nucleares, por outro lado, ocorrem em energias de alguns mega-elétron-volts (MeV).
Portanto, as reações nucleares são cerca de seis ordens de magnitude mais energéticas do que as reações químicas.
No entanto, existe uma maneira de acelerar o decaimento nuclear adicionando energia. Você só precisa adicionar energia na escala de MeVs. Você pode fazer isso usando um intenso feixe de partículas. A ideia é teoricamente sólida , mas ainda não foi desenvolvida experimentalmente.
Há um efeito relativístico.
De acordo com a relatividade especial, um relógio (relativamente) em movimento anda mais devagar. O que isso significa é que, em altas velocidades, uma partícula sobreviverá um pouco mais em média antes de decair.
Em uma temperatura mais alta, as partículas em um gás estarão viajando mais rápido, então elas decairão um pouco mais devagar. O efeito será realmente pequeno até que suas velocidades se aproximem de uma fração apreciável da velocidade da luz.
Só ouvi falar desse efeito sendo observado em aceleradores de partículas e raios cósmicos. A teoria deveria se sustentar se você pudesse aquecer um gás o suficiente para que os efeitos relativísticos se tornassem observáveis (o que é difícil, para dizer o mínimo), mas nessa temperatura você terá todos os tipos de outros efeitos nucleares.