Уменьшается ли время полураспада радиоактивного материала при повышении его температуры?
Если при высоких температурах атомы более интенсивно взаимодействуют друг с другом или излучают фотоны, это также может заставить ядро вибрировать. Будет ли в этих условиях более вероятно, что радиоактивный материал будет делиться быстрее? Можно ли с помощью этого избавиться от радиоактивного мусора?
Ответы
В годы, прошедшие после открытия радиоактивности, физики и химики (вспомните, что Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии!) Исследовали эффект нагревания радиоактивных веществ. Они не смогли обнаружить никакого влияния на активность и, следовательно, на период полураспада. Это было истолковано (как только атом превратился в ядро, окруженное электронами), свидетельствовал о том, что излучение исходит от ядра.
Аргумент был - и остается - что даже при температурах печи (скажем, до 3000 К) будут возникать нарушения электронных конфигураций, но атомы будут редко полностью лишаться электронов, а сильные межъядерные столкновения будут очень редкими. . Только такие столкновения могут повлиять на испускание частицы из нестабильного ядра.
При гораздо более высоких температурах и плотностях (например, в токамаке или в звезде) сильные межъядерные столкновения будут обычным явлением, и я предполагаю, что период полураспада нестабильных ядер будет уменьшен, но, насколько мне известно, это не так. обнаруживается при «обычных» земных температурах.
Есть уже два хороших и правильных ответа. Особенно учитывая, что ОП в основном спрашивает о процессах деления, эти ответы охватывают основную физику. Я просто хотел бы отметить, что в ядре существуют процессы распада, на которые действительно влияет температура , даже при комнатной температуре.
Ярким примером являются знаменитые мессбауэровские ядра с гамма-распадом без отдачи . Давайте посмотрим на типичный пример изотопа и его цепочку распада. 57Co радиоактивно распадается (действительно, путем захвата электрона, что было приведено в качестве другого примера в другом ответе) на 57Fe. Что круто, так это то, что он попадает в возбужденное ядерное состояние 57Fe, которое впоследствии распадается с испусканием гамма-фотона.
Эти переходы используются в мессбауэровской спектроскопии и имеют множество приложений. Один из них - изучение фононных спектров и колебаний решетки , на которые сильно влияет температура.
Например, так называемый фактор Лэмба-Мессбауэра часто напрямую зависит от температуры и, в свою очередь, напрямую связан с расширением естественной ширины линии и, следовательно, с периодом полураспада / затухания.
Обратите внимание, что этот эффект возникает не из-за прямого воздействия на ядро, а из-за влияния на каналы распада и, как следствие, отдачу ядра. Это объясняет, почему энергетические масштабы изменения температуры не обязательно должны быть ядерными.
Кажется, вы путаете два разных понятия. Период полураспада радиоактивного изотопа определяет скорость спонтанного распада отдельных атомов. Вероятность того, что делящийся материал подвергнется цепной реакции, сильно отличается от его периода полураспада.
Для большинства видов радиоактивного распада период полураспада радиоактивного изотопа не зависит от факторов окружающей среды, таких как температура, давление, химические связи, электрические или магнитные поля. Это подтверждено очень точными экспериментами.
Единственное известное исключение состоит в том, что на некоторые режимы радиоактивного распада, в которых вовлечены электроны в атоме (например, захват электронов ), незначительно влияют химические связи, которые могут изменять форму электронных оболочек вокруг атома. Подробнее см. В этой статье в Википедии .
От температуры (и от многих других факторов окружающей среды) зависит нейтронное сечение делящегося материала - вероятность того, что нейтрон, испускаемый при распаде одного ядра, будет взаимодействовать с другим ядром. Это, в свою очередь, определяет, будет ли иметь место цепная реакция.
Другие ответы связаны с несколькими экзотическими случаями, когда внешние факторы, такие как температура, могут влиять на некоторые аспекты ядерных процессов (сечение захвата нейтронов). Однако общий ответ - нет, температура не влияет на период полураспада изотопа.
Чтобы подробнее объяснить, почему нет эффекта, учтите, что (как вы упомянули в своем вопросе) то, что мы воспринимаем как температуру, на самом деле является вибрацией атомов. Вы можете вычислить колебательную энергию атомов при различных температурах, и вы обнаружите, что для типичных температур, достигаемых в химических реакциях, энергии порядка нескольких электрон-вольт (эВ). С другой стороны, ядерные реакции происходят при энергиях в несколько мегаэлектронвольт (МэВ).
Таким образом, ядерные реакции примерно на шесть порядков более энергичны, чем химические.
Однако есть способ ускорить ядерный распад за счет добавления энергии. Вам просто нужно добавить энергию в МэВ. Вы можете сделать это с помощью интенсивного пучка частиц. Идея теоретически обоснована , но пока не получила экспериментального развития.
Есть релятивистский эффект.
Согласно специальной теории относительности, (относительно) движущиеся часы тикают медленнее. Это означает, что на высоких скоростях частица проживет в среднем немного дольше, прежде чем распадется.
При более высокой температуре частицы в газе будут двигаться быстрее, поэтому они будут распадаться немного медленнее. Эффект будет действительно небольшим, пока их скорость не приблизится к значительной доле скорости света.
Я слышал только об этом эффекте, наблюдаемом в ускорителях частиц и в космических лучах. Теория должна быть верной, если вы можете нагреть газ настолько, чтобы релятивистские эффекты стали наблюдаемыми (что, по меньшей мере, сложно), но при этой температуре вы будете иметь все виды других ядерных эффектов.