Question:
La demi-vie d'une matière radioactive diminue-t-elle si sa température augmente?
Krešimir Bradvica
2020-08-16 14:11:11 UTC
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Si à des températures élevées, les atomes interagissent plus intensément les uns avec les autres ou émettent des photons qui pourraient également faire vibrer le noyau.Dans ces circonstances, les matières radioactives sont-elles plus susceptibles de se fissurer plus rapidement?Cela peut-il être utilisé pour se débarrasser des déchets radioactifs?

Cinq réponses:
Philip Wood
2020-08-16 14:59:18 UTC
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Dans les années qui ont suivi la découverte de la radioactivité, des physiciens et des chimistes (rappelons que Rutherford a reçu le prix Nobel de chimie!) ont étudié l'effet du chauffage de substances radioactives. Ils n'ont pu détecter aucun effet sur l'activité, et donc aucun sur la demi-vie. Cela a été interprété (dès que l'atome avait été établi comme un noyau entouré d'électrons) comme une preuve que le rayonnement provenait du noyau.

L'argument était - et est toujours - que même à des températures de four (disons jusqu'à 3000 K), il y aura des perturbations dans les configurations électroniques, mais il sera rare que les atomes soient totalement dépourvus d'électrons, et de violentes collisions internucléaires être très rare. Seules de telles collisions seraient susceptibles d'influencer l'émission d'une particule à partir d'un noyau instable.

À des températures et des densités beaucoup plus élevées (par exemple dans un tokamak ou dans une étoile), les collisions internucléaires violentes seront courantes, et je suppose que la demi-vie des noyaux instables serait réduite, mais ce n'est pas le cas, dans la mesure où Je sais, détectable à des températures terrestres «ordinaires».

Les commentaires ne sont pas destinés à une discussion approfondie;cette conversation a été [déplacée vers le chat] (https://chat.stackexchange.com/rooms/111899/discussion-on-answer-by-philip-wood-does-the-halflife-time-of-a-radioactive-camarade).
Pour ajouter des nombres kT à température ambiante (~ 300 K), c'est environ 25 meV (0,025 eV).L'énergie de liaison d'un noyau d'uranium est d'environ 7 MeV (7 000 000 eV).Pour que la température ambiante se rapproche de la densité d'énergie requise pour dissocier un noyau, la température devrait être non pas de 300 K ou 3000 K, mais d'environ cinq ordres de grandeur plus élevée, plus proche de 30 000 000 K.30 millions de degrés, c'est assez chaud - et je pense que cela donne une bonne idée des échelles dont nous parlons.
Wolpertinger
2020-08-17 02:05:16 UTC
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Il y a déjà deux bonnes et bonnes réponses. D'autant plus que l'OP interroge principalement sur les processus de fission, ces réponses capturent la physique principale. Je voudrais juste souligner que il existe des processus de désintégration dans le noyau qui sont affectés par la température, même à l'échelle de la température ambiante.

Les fameux noyaux Mössbauer, qui présentent une désintégration gamma sans recul, en sont un bon exemple. Regardons un exemple typique d’isotope et sa chaîne de désintégration. 57Co se désintègre radioactivement (en fait par capture d'électrons, ce qui a été donné comme un autre exemple dans une autre réponse) en 57Fe. Ce qui est cool, c’est qu’elle se retrouve dans un état nucléaire excité de 57Fe, qui se désintègre ensuite en libérant un photon gamma.

Ces transitions sont utilisées dans la spectroscopie Mössbauer et ont de nombreuses applications. La première consiste à étudier les spectres phonon et les vibrations du réseau , qui sont fortement affectés par la température.

Par exemple, le soi-disant facteur Lamb-Mössbauer dépend souvent directement de la température et est à son tour directement lié à l'élargissement de la largeur naturelle de la ligne et donc au temps de demi-vie / de décroissance.

Notez que cet effet ne provient pas d'une influence directe sur le noyau, mais d'une influence sur les canaux de désintégration et le recul nucléaire qui en résulte. Cela explique pourquoi les échelles énergétiques de la variation de température ne doivent pas nécessairement être celles du nucléaire.

J'aime beaucoup cette réponse et cette explication!Je suppose que si vous chauffez suffisamment le matériau pour que son rayonnement thermique du corps noir s'étende aux rayons X, vous pourriez obtenir 178m2 <\ sup> Hf pour se désintégrer plus rapidement, mentionné dans [cette réponse] (https: //aviation.stackexchange.com / a / 50137/14213) à * Comment Northrop Grumman a-t-il proposé de fabriquer le Global Hawk à propulsion nucléaire? * Voir également [Hafnium controversy] (https://en.wikipedia.org/wiki/Hafnium_controversy) et [Induced gamma émission] (https://en.wikipedia.org/wiki/Induced_gamma_emission) Notez qu'il faut soigneusement séparer les fausses déclarations de la science
@uhoh Merci pour les aimables paroles!Je suis en train de reconsidérer si ma réponse répond réellement à la question ou est plutôt trompeuse pour les lecteurs.Après tout, la demi-vie n'est pas réellement modifiée dans ce processus, ce ne sont que les produits de désintégration où vous voyez un changement.Je vais le laisser pour l'instant, mais je pourrais supprimer.Plus de commentaires bienvenus.
Eh bien, la réponse est bien reçue et je pense que votre clause de non-responsabilité au début est assez claire, donc puisque la communauté apprécie votre réponse et que vous avez expliqué ses limites, il n'y a aucune raison pour Stack Exchange de la supprimer.Je pense également que vous pourriez préparer un effet où vous avez un isomère métastable et des rayons X désaccordés, et si vous le chauffez, l'élargissement doppler amènera certains des rayons X à la bonne fréquence pour stimuler la désintégration,l'augmentation du taux de désintégration et le raccourcissement de la demi-vie de l'état métastable pendant l'application des rayons X et de la chaleur.
@uhoh vous avez raison, je vais le garder :) Aussi à propos de votre plan de rayons X: l’utilisation de champs laser pour la transmutation nucléaire, etc. est un domaine de recherche assez actif.Cela peut être possible avec les installations laser à venir, mais à ma connaissance, ce n'est pas le cas pour le moment.Voir par exemplehttps://arxiv.org/abs/2004.07953
Notez également ma réponse ici: https://physics.stackexchange.com/a/574060/101770 qui fournit un autre exemple de transition nucléaire qui serait pertinent pour cette question, car elle est affectée par la température.
gandalf61
2020-08-16 14:53:40 UTC
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Vous semblez confondre deux concepts distincts. La demi-vie d'un isotope radioactif donne la vitesse à laquelle les atomes individuels se désintègrent spontanément. La probabilité qu'une matière fissile subisse une réaction en chaîne est assez différente de sa demi-vie.

Pour la plupart des modes de désintégration radioactive, la demi-vie d'un isotope radioactif est indépendante de facteurs environnementaux tels que la température, la pression, les liaisons chimiques, les champs électriques ou magnétiques. Cela a été confirmé par des expériences très précises.

La seule exception connue est que certains modes de désintégration radioactive qui impliquent les électrons de l'atome (comme la capture d'électrons) sont légèrement affectés par des liaisons chimiques qui peuvent changer la forme des couches d'électrons autour un atome. Pour plus de détails, consultez cet article Wikipédia.

Ce qui dépend de la température (et de nombreux autres facteurs environnementaux) est la section efficace des neutrons d'une matière fissile - la probabilité qu'un neutron émis lors de la désintégration d'un noyau interagisse avec un autre noyau . Cela détermine à son tour si une réaction en chaîne aura lieu ou non.

Oscar Bravo
2020-08-17 20:36:01 UTC
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Les autres réponses ont abouti à quelques cas exotiques où des facteurs externes tels que la température peuvent affecter certains aspects des processus nucléaires (section efficace de capture de neutrons). Cependant, la réponse globale est non, la température n'affecte pas la demi-vie d'un isotope.

Pour expliquer pourquoi il n'y a pas d'effet, considérez que (comme vous le mentionnez dans votre question) ce que nous percevons comme température est en fait la vibration des atomes. Vous pouvez calculer l'énergie vibrationnelle des atomes à différentes températures et vous constaterez que pour des températures typiques atteintes dans des réactions chimiques, les énergies sont de l'ordre de plusieurs électron-volts (eV). Les réactions nucléaires, par contre, se produisent à des énergies de quelques méga-électron-volts (MeV).

Les réactions nucléaires sont donc environ six ordres de grandeur plus énergétiques que les réactions chimiques.

Cependant, il existe un moyen d'accélérer la désintégration nucléaire en ajoutant de l'énergie. Il suffit d'ajouter de l'énergie à l'échelle des MeV. Vous pouvez le faire en utilisant un faisceau de particules intense. L'idée est théoriquement valable, mais elle n'a pas encore été développée expérimentalement.

L'énergie de la réaction nucléaire n'est pas la bonne échelle pour la question.La demi-vie est liée à la largeur de la transition dans l'espace énergétique, qui peut être très étroite par rapport à l'énergie de transition.Étant donné que les processus de désintégration nucléaire couvrent de nombreux ordres de grandeur au cours de la vie, cet argument semble venir du mauvais angle.Par exemple.disons que vous avez un processus de désintégration MeV et que vous le décalez / l'élargissez d'un certain eV, mais que la largeur n'est que de neV, ce serait un énorme changement.
@Wolpertinger L'OP se demande si vous pouvez déclencher des réactions nucléaires en chauffant des isotopes.Il ne mentionne pas réellement l'échelle, mais nous supposons qu'il parle de conditions semblables à celles d'un four.Comme je pense que nous sommes d'accord, cela ne fonctionnera pas et la raison pour laquelle ce ne sera pas le cas est qu'il n'y a pas assez d'énergie thermique pour surmonter la barrière potentielle de la désintégration radioactive.Je conteste donc le fait que l'énergie de désintégration n'est pas la bonne échelle à utiliser.
AlexQueue
2020-08-17 22:14:38 UTC
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Il y a un effet relativiste.

Selon la relativité restreinte, une horloge (relativement) mobile tourne plus lentement.Cela signifie qu'à grande vitesse, une particule survivra un peu plus longtemps en moyenne avant de se désintégrer.

À une température plus élevée, les particules dans un gaz se déplaceront plus rapidement, donc elles se désintégreront un peu plus lentement.L'effet sera vraiment faible jusqu'à ce que leur vitesse approche une fraction appréciable de la vitesse de la lumière.

Je n'ai entendu parler de cet effet que dans les accélérateurs de particules et les rayons cosmiques.La théorie devrait tenir si vous pouviez chauffer un gaz suffisamment pour que les effets relativistes deviennent observables (ce qui est difficile, c'est le moins qu'on puisse dire), mais à cette température, vous allez avoir toutes sortes d'autres effets nucléaires.

Selon https://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_plasma, vous avez besoin de 5,6 billions de kelvins pour fabriquer un plasma d'hydrogène suffisamment chaud pour que 10% des protons aient $ \ gamma = 2 $, soit une énergie cinétique égale à leurreste masse-énergie.Si votre plasma est constitué d'éléments lourds, la température doit être encore plus élevée.À ces températures, de nombreuses réactions nucléaires vont se produire, par exemple des photons provoquant la production de paires et la photodésintégration, les électrons convertissant les protons en neutrons, la fusion des noyaux, etc.
Oui, c'est pratiquement impossible, mais l'effet est toujours là même s'il est trop petit pour que nous le remarquions.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 4.0 sous laquelle il est distribué.
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