เวลาครึ่งชีวิตของวัสดุกัมมันตรังสีจะลดลงหรือไม่หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้น?
ถ้าที่อุณหภูมิสูงอะตอมมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างเข้มข้นมากขึ้นหรือปล่อยโฟตอนออกมาซึ่งอาจทำให้แกนกลางสั่นสะเทือน ในสถานการณ์เหล่านี้สารกัมมันตรังสีมีแนวโน้มที่จะฟิชชันเร็วขึ้นหรือไม่? สามารถใช้กำจัดขยะกัมมันตภาพรังสีได้หรือไม่?
คำตอบ
ในช่วงหลายปีหลังการค้นพบกัมมันตภาพรังสีนักฟิสิกส์และนักเคมี (จำได้ว่ารัทเทอร์ฟอร์ดได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี!) ได้ตรวจสอบผลของการให้ความร้อนแก่สารกัมมันตภาพรังสี พวกเขาสามารถตรวจพบว่าไม่มีผลกระทบต่อกิจกรรมดังนั้นจึงไม่มีผลต่อครึ่งชีวิต สิ่งนี้ถูกตีความ (ทันทีที่อะตอมถูกสร้างขึ้นเป็นนิวเคลียสที่ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอน) เป็นหลักฐานว่ารังสีมาจากนิวเคลียส
ข้อโต้แย้งคือ - และยังคงอยู่ - แม้ที่อุณหภูมิเตาเผา (กล่าวได้ว่าสูงถึง 3000 K) จะมีการรบกวนการกำหนดค่าอิเล็กตรอน แต่จะเป็นเรื่องยากที่อะตอมจะถูกตัดอิเล็กตรอนทั้งหมดและการชนกันภายในนิวเคลียร์อย่างรุนแรงจะเกิดขึ้นน้อยมาก . การชนกันดังกล่าวเท่านั้นที่น่าจะมีผลต่อการปลดปล่อยอนุภาคจากนิวเคลียสที่ไม่เสถียร
ที่อุณหภูมิและความหนาแน่นสูงกว่ามาก (เช่นในโทคามัคหรือในดาว) การชนกันภายในนิวเคลียร์อย่างรุนแรงจะเป็นเรื่องปกติและฉันเดาว่าครึ่งชีวิตของนิวเคลียสที่ไม่เสถียรจะลดลง แต่นี่ไม่ใช่เท่าที่ฉันรู้ ตรวจจับได้ที่อุณหภูมิพื้นโลก 'ธรรมดา'
คำตอบที่ดีและถูกต้องมีอยู่แล้วสองคำตอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาว่า OP ส่วนใหญ่ถามเกี่ยวกับกระบวนการฟิชชันคำตอบเหล่านี้จับหลักฟิสิกส์ ฉันแค่อยากจะชี้ให้เห็นว่ามีกระบวนการสลายตัวในนิวเคลียสที่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิแม้ในระดับอุณหภูมิห้อง
เป็นตัวอย่างที่โดดเด่นเป็นนิวเคลียสMössbauerที่มีชื่อเสียงซึ่งมีถอยกลับแกมมาผุ ให้เราดูตัวอย่างทั่วไปของไอโซโทปและมันเป็นโซ่ผุ 57Co สลายกัมมันตภาพรังสี (โดยการจับอิเล็กตรอนซึ่งให้ไว้เป็นตัวอย่างในคำตอบอื่น) เป็น 57Fe สิ่งที่เจ๋งคือมันจบลงด้วยสถานะนิวเคลียร์ที่น่าตื่นเต้นที่ 57Fe ซึ่งต่อมาสลายตัวโดยการปล่อยแกมมา - โฟตอน
การเปลี่ยนภาพเหล่านี้ใช้ในสเปกโทรสโกปีของMössbauerและมีการใช้งานมากมาย ประการหนึ่งคือการศึกษาการสั่นของ phonon spectra และ latticeซึ่งได้รับผลกระทบอย่างมากจากอุณหภูมิ
ตัวอย่างเช่นปัจจัยที่เรียกว่าLamb-Mössbauerมักขึ้นอยู่กับอุณหภูมิโดยตรงและจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับการขยายความกว้างของเส้นธรรมชาติและด้วยเหตุนี้ครึ่งชีวิต / เวลาสลายตัว
โปรดทราบว่าผลกระทบนี้ไม่ได้มาจากอิทธิพลโดยตรงต่อนิวเคลียส แต่มาจากอิทธิพลของช่องทางการสลายตัวและผลจากการหดตัวของนิวเคลียร์ สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมสเกลพลังงานของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิไม่จำเป็นต้องเป็นระดับนิวเคลียร์
ดูเหมือนคุณจะสับสนสองแนวคิดที่แยกจากกัน ครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีให้อัตราที่อะตอมแต่ละตัวจะสลายตัวเองตามธรรมชาติ ความเป็นไปได้ที่วัสดุฟิสไซล์จะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นั้นค่อนข้างแตกต่างจากครึ่งชีวิต
สำหรับโหมดการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีส่วนใหญ่ครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีนั้นไม่ขึ้นอยู่กับปัจจัยแวดล้อมเช่นอุณหภูมิความดันพันธะเคมีสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองที่แม่นยำมาก
ข้อยกเว้นที่ทราบเพียงอย่างเดียวคือบางโหมดของการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนในอะตอม (เช่นการจับอิเล็กตรอน ) ได้รับผลกระทบเล็กน้อยจากพันธะเคมีซึ่งอาจทำให้รูปร่างของเปลือกอิเล็กตรอนรอบ ๆ อะตอมเปลี่ยนไป สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมโปรดดูบทความวิกิพีเดียนี้
สิ่งที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ (และปัจจัยแวดล้อมอื่น ๆ ) คือส่วนตัดขวางนิวตรอนของวัสดุฟิสไซล์ - ความน่าจะเป็นที่นิวตรอนที่ปล่อยออกมาในการสลายตัวของนิวเคลียสหนึ่งจะมีปฏิกิริยากับนิวเคลียสอื่น สิ่งนี้จะเป็นตัวกำหนดว่าจะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่หรือไม่
คำตอบอื่น ๆ มาพร้อมกับกรณีแปลกใหม่บางกรณีที่ปัจจัยภายนอกเช่นอุณหภูมิอาจส่งผลกระทบต่อบางแง่มุมของกระบวนการนิวเคลียร์ (การจับนิวตรอนตัดขวาง) อย่างไรก็ตามคำตอบโดยรวมคือไม่อุณหภูมิไม่ส่งผลต่อครึ่งชีวิตของไอโซโทป
หากต้องการขยายความว่าเหตุใดจึงไม่มีผลให้พิจารณาว่า (ตามที่คุณพูดถึงในคำถามของคุณ) สิ่งที่เรารับรู้ว่าอุณหภูมิคือการสั่นสะเทือนของอะตอม คุณสามารถคำนวณพลังงานการสั่นสะเทือนของอะตอมที่อุณหภูมิต่างๆและคุณจะพบว่าสำหรับอุณหภูมิทั่วไปที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาเคมีพลังงานจะเรียงตามลำดับของอิเล็กตรอน - โวลต์ (eV) หลายตัว ในทางกลับกันปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นที่พลังงานของเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) สองสามตัว
ปฏิกิริยานิวเคลียร์จึงมีกำลังมากกว่าปฏิกิริยาเคมีประมาณหกลำดับ
อย่างไรก็ตามมีวิธีเร่งการสลายตัวของนิวเคลียร์โดยการเติมพลังงาน คุณต้องเพิ่มพลังงานในระดับของ MeVs คุณสามารถทำได้โดยใช้ลำแสงอนุภาคเข้มข้น แนวคิดนี้ฟังดูดีในทางทฤษฎีแต่ยังไม่ได้รับการพัฒนาในเชิงทดลอง
มีผลเชิงสัมพันธ์
ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษนาฬิกาเคลื่อนที่ (ค่อนข้าง) เห็บช้าลง สิ่งนี้หมายความว่าด้วยความเร็วสูงอนุภาคจะอยู่ได้นานขึ้นเล็กน้อยโดยเฉลี่ยก่อนที่จะสลายตัว
ที่อุณหภูมิสูงขึ้นอนุภาคในก๊าซจะเดินทางได้เร็วขึ้นดังนั้นอนุภาคเหล่านี้จึงสลายตัวช้าลงเล็กน้อย เอฟเฟกต์จะน้อยมากจนกระทั่งความเร็วของพวกมันเข้าใกล้เศษเสี้ยวของความเร็วแสง
ฉันเคยได้ยินเพียงว่าพบผลกระทบนี้ในเครื่องเร่งอนุภาคและรังสีคอสมิก ทฤษฎีควรมีไว้หากคุณสามารถทำให้ก๊าซร้อนขึ้นมากพอที่จะสังเกตเห็นผลเชิงสัมพัทธภาพได้ (ซึ่งยากที่จะพูดน้อยที่สุด) แต่ในอุณหภูมินั้นคุณจะได้รับผลกระทบจากนิวเคลียร์ทุกชนิด