Radyoaktif bir malzemenin sıcaklığı artarsa yarılanma süresi azalır mı?
Yüksek sıcaklıklarda atomlar birbirleriyle daha yoğun etkileşime giriyor veya fotonlar yayıyorsa, bu da çekirdeğin titreşmesine neden olabilir. Bu koşullarda radyoaktif malzemenin daha hızlı parçalanma olasılığı daha mı yüksek? Bu radyoaktif çöplerden kurtulmak için kullanılabilir mi?
Yanıtlar
Radyoaktivitenin keşfini takip eden yıllarda fizikçiler ve kimyagerler (Rutherford'a Nobel Kimya Ödülü verildiğini hatırlayın!) Radyoaktif maddelerin ısınmasının etkisini araştırdılar. Aktivite üzerinde hiçbir etki ve dolayısıyla yarı ömür üzerinde hiçbir etki tespit edemediler. Bu, radyasyonun çekirdekten geldiğinin kanıtı olarak yorumlandı (atom elektronlarla çevrili bir çekirdek olarak kurulur kurulmaz).
Tartışma şöyleydi - ve hala öyle - fırın sıcaklıklarında bile (örneğin 3000 K'ye kadar) elektron konfigürasyonlarında bozulma olacak, ancak atomların elektronlardan tamamen sıyrılması nadir olacak ve şiddetli nükleer çarpışmalar çok nadir olacak . Yalnızca bu tür çarpışmalar, kararsız bir çekirdekten gelen bir parçacığın emisyonunu etkileyebilir.
Çok daha yüksek sıcaklıklarda ve yoğunluklarda (örneğin bir tokamakta veya bir yıldızda) şiddetli nükleer nükleer çarpışmalar yaygın olacaktır ve kararsız çekirdeklerin yarı ömürlerinin azalacağını tahmin ediyorum, ancak bu bildiğim kadarıyla değil, 'sıradan' karasal sıcaklıklarda tespit edilebilir.
Zaten iki iyi ve doğru cevap var. Özellikle OP'nin esas olarak fisyon süreçlerini sorduğu düşünüldüğünde, bu cevaplar ana fiziği yakalar. Sadece işaret etmek gibi olur sıcaklık etkilenen alırım çekirdeğinde çürüme süreçleri orada var hatta oda sıcaklığı ölçeğinde.
Öne çıkan bir örnek, geri tepmesiz gama bozunması özelliğine sahip ünlü Mössbauer çekirdekleridir . Tipik bir izotop örneğine ve onun bozunma zincirine bakalım. 57Co radyoaktif olarak (başka bir cevapta başka bir örnek olarak verilen elektron yakalama yoluyla) 57Fe'ye bozunur. Harika olan şey, 57Fe'lik heyecanlı bir nükleer duruma geçmesi ve ardından bir gama-foton salgılayarak bozunmasıdır.
Bu geçişler Mössbauer spektroskopisinde kullanılmaktadır ve birçok uygulamaya sahiptir. Birincisi, sıcaklıktan güçlü bir şekilde etkilenen fonon spektrumlarını ve kafes titreşimlerini incelemektir .
Örneğin, Lamb-Mössbauer faktörü olarak adlandırılan faktör genellikle doğrudan sıcaklığa bağımlıdır ve karşılığında doğrudan doğal çizgi genişliğinin genişlemesiyle ve dolayısıyla yarı ömür / bozulma süresiyle ilgilidir.
Bu etkinin çekirdek üzerindeki doğrudan bir etkiden değil, bozunma kanalları ve sonuçta ortaya çıkan nükleer geri tepme üzerindeki bir etkiden kaynaklandığına dikkat edin. Bu, sıcaklık değişiminin enerji skalalarının neden nükleer ölçek olmak zorunda olmadığını açıklar.
İki ayrı kavramı karıştırıyor gibisin. Bir radyoaktif izotopun yarı ömrü, tek tek atomların kendiliğinden bozunacağı oranı verir. Bölünebilir bir malzemenin zincirleme reaksiyona girme olasılığı, yarı ömründen oldukça farklıdır.
Çoğu radyoaktif bozunma modu için, bir radyoaktif izotopun yarı ömrü sıcaklık, basınç, kimyasal bağlar, elektrik veya manyetik alanlar gibi çevresel faktörlerden bağımsızdır. Bu, çok doğru deneylerle doğrulanmıştır.
Bilinen tek istisna, atomdaki elektronları içeren bazı radyoaktif bozunma modlarının ( elektron yakalama gibi ), bir atom etrafındaki elektron kabuklarının şeklini değiştirebilecek kimyasal bağlardan biraz etkilenmesidir. Daha fazla ayrıntı için bu Wikipedia makalesine bakın .
Sıcaklığa (ve diğer birçok çevresel faktöre) bağlı olan şey, bölünebilir bir malzemenin nötron enine kesitidir - bir çekirdeğin bozunmasında salınan bir nötronun başka bir çekirdekle etkileşime girme olasılığı. Bu da bir zincirleme reaksiyonun gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini belirler.
Diğer yanıtlar, sıcaklık gibi dış faktörlerin nükleer süreçlerin (nötron yakalama kesiti) bazı yönlerini etkileyebileceği birkaç egzotik durumla ortaya çıktı. Bununla birlikte, genel cevap hayır, sıcaklık bir izotopun yarı ömrünü etkilemez.
Neden hiçbir etkinin olmadığını genişletmek için, (sorunuzda bahsettiğiniz gibi) sıcaklık olarak algıladığımız şeyin aslında atomların titreşimi olduğunu düşünün. Atomların titreşim enerjisini çeşitli sıcaklıklarda hesaplayabilir ve kimyasal reaksiyonlarda elde edilen tipik sıcaklıklar için enerjilerin birkaç elektron volt (eV) düzeyinde olduğunu göreceksiniz. Öte yandan, nükleer reaksiyonlar birkaç mega elektron volt (MeV) enerjisinde meydana gelir.
Yani nükleer reaksiyonlar, kimyasal reaksiyonlardan yaklaşık altı kat daha enerjiktir.
Ancak, enerji ekleyerek nükleer çürümeyi hızlandırmanın bir yolu var. Sadece MeV ölçeğinde enerji eklemelisiniz. Bunu yoğun bir parçacık ışını kullanarak yapabilirsiniz. Fikir teorik olarak sağlam , ancak henüz deneysel olarak geliştirilmemiştir.
Göreceli bir etki var.
Özel göreliliğe göre, (görece) hareket eden bir saat daha yavaş ilerler. Bunun anlamı, bir parçacığın yüksek hızlarda, bozulmadan önce ortalama olarak biraz daha uzun süre hayatta kalacağıdır.
Daha yüksek bir sıcaklıkta, bir gazdaki parçacıklar daha hızlı hareket edecek, bu nedenle biraz daha yavaş bozunacaklardır. Etkisi, hızları ışık hızının kayda değer bir kısmına yaklaşıncaya kadar gerçekten küçük olacaktır.
Bu etkinin sadece parçacık hızlandırıcılarda ve kozmik ışınlarda gözlemlendiğini duydum. Teori, bir gazı göreceli etkilerin gözlemlenebilir hale gelmesini sağlayacak kadar ısıtabilirseniz (ki bu en azını söylemek zordur), ancak bu sıcaklıkta her türlü başka nükleer etkiye sahip olacaksınız.