Изменение периода полураспада радиоактивных веществ

Зависят ли скорости ядерного распада от факторов окружающей среды?

Есть два известных воздействия окружающей среды, которые могут иметь значение:

(1) Первый из них уже давно научно обоснован. В процессе захвата электрона протон в ядре соединяется с электроном внутренней оболочки, образуя нейтрон и нейтрино. Этот эффект действительно зависит от электронной среды, и, в частности, процесс не может произойти, если атом полностью ионизирован.

(2) В некоторых исключительных примерах, таких как 187Re, происходят бета-распады с крайне низкими энергиями (в кэВ-диапазоне, а не в обычном МэВ-диапазоне). В этих случаях имеют место значительные эффекты из-за принципа запрета Паули и окружающего электронного облака. См. Ионизация ядра бета-распада вызывает более быстрый распад?

Другие заявления о влиянии окружающей среды на скорость распада — это чудаковатая наука, которую часто цитируют креационисты в своих попытках дискредитировать эволюционные и геологические шкалы времени.

Он и др. (He 2007) заявляют, что обнаружили изменение скорости бета-распада на целых 11% при вращении образцов в центрифуге, и говорят, что эффект меняется асимметрично при вращении по и против часовой стрелки. Он считает, что существует таинственное энергетическое поле, которое имеет как биологические, так и ядерные эффекты и что оно связано с циркадными ритмами. Ядерные эффекты не наблюдались при воспроизведении экспериментальных условий Ding et al. [Динь 2009]

Дженкинс и Фишбах (2008) утверждают, что наблюдали влияние на скорость альфа-распада на уровне 10 ^ -3, коррелирующее с влиянием солнца. Они предположили, что их результаты можно проверить более драматично, исследуя изменения скорости альфа-распада в радиоизотопных термоэлектрических генераторах на борту космических зондов. Оказалось, что такого эффекта не существует (Cooper 2009). Не испугавшись того, что их теория не прошла предложенный ими тест, они опубликовали еще более странные идеи, такие как нейтрино-опосредованный эффект от солнечных вспышек, хотя солнечные вспышки являются поверхностным явлением, тогда как нейтрино исходят из солнечного ядра. Независимое исследование не обнаружило такой связи между вспышками и скоростью распада (Пархомов, 2010а). Лабораторные эксперименты [Lindstrom 2010] также наложили ограничения на чувствительность радиоактивного распада к потоку нейтрино, которые исключают опосредованный нейтрино эффект на уровне, на порядок меньшем, чем требуется для объяснения вариаций, заявленных в [Jenkins 2008]. ]. Несмотря на это, Дженкинс и Фишбах продолжают размышлять об эффекте нейтрино в [Sturrock 2012]; отказ иметь дело с доказательствами, противоречащими друг другу, является отличительной чертой чудаковатой науки. Они признают, что вариации, показанные в их работе 2012 года, «могут быть частично связаны с влиянием окружающей среды», но, похоже, не хотят признать, что, если сила этих влияний неизвестна, они могут объяснить весь заявленный эффект, а не только его часть. этого.

Дженкинс и Фишбах сделали дополнительные заявления в 2010 году на основе экспериментов, проведенных несколько десятилетий назад другими людьми, так что у Дженкинса и Фишбаха нет возможности из первых рук исследовать возможные источники систематической ошибки. Другие попытки воспроизвести результат также страдают от систематических ошибок того же размера, что и заявленный эффект. Например, эксперимент Пархомова (2010b) показывает спектр мощности Фурье, в котором дюжина других пиков почти так же заметна, как заявленное годовое изменение.

Кардоне и др. утверждают, что наблюдали изменения скорости альфа-распада тория, вызванного ультразвуком 20 кГц, и утверждают, что этот альфа-распад происходит без испускания гамма-лучей. Эрикссон и др. указали на несколько серьезных проблем с экспериментами Кардоне.

В соответствии с теорией, высокоточные экспериментальные тесты не показывают заметной температурной зависимости скоростей захвата электронов [Гудвин 2009] и альфа-распада. [Гуревич 2008] Результаты Гудвина опровергают ряд результатов группы под руководством Рольфса, например, [Limata 2006], в котором использовалась менее совершенная техника.

He YuJian et al., Science China 50 (2007) 170.

YouQian Ding et al., Science China 52 (2009) 690.

Дженкинс и Фишбах (2008 г.), https://arxiv.org/abs/0808.3283v1 , Astropart.Phys.32:42-46, 2009 г.

Дженкинс и Фишбах (2009 г.), https://arxiv.org/abs/0808.3156 , Astropart.Phys.31:407-411,2009

Дженкинс и Фишбах (2010 г.), https://arxiv.org/abs/1007.3318.

Пархомов 2010а, https://arxiv.org/abs/1006.2295

Пархомов 2010б, https://arxiv.org/abs/1012.4174

Купер (2009 г.), https://arxiv.org/abs/0809.4248 , Astropart.Phys.31:267-269,2009

Линдстрем и др. (2010), http://arxiv.org/abs/1006.5071 , Ядерные приборы и методы в физических исследованиях A, 622 (2010) 93-96

Старрок, 2012 г., https://arxiv.org/abs/1205.0205.

F. Cardone, R. Mignani, A. Petrucci, Phys. лат. А 373 (2009) 1956 г.

Ericsson et al., Комментарий к «Пьезоядерному распаду тория», Phys. лат. А 373 (2009) 1956, https://arxiv.org/abs/0907.0623

Эрикссон и др., https://arxiv.org/abs/0909.2141

Гудвин, Головко, Якоб и Харди, «Период полураспада распада 97Ru с захватом электронов: точное измерение не показывает температурной зависимости» в Physical Review C (2009), 80, 045501, https://arxiv.org/abs/ 0910.4338

Гуревич и др., "Влияние металлической среды и низкой температуры на скорость α-распада 253Es", Бюлл. Русь. акад. науч. 72 (2008) 315.

Лимата и др., «Первые намеки на изменение периода полураспада β-распада 22Na в металле Pd», Европейский физический журнал A - Адроны и ядра, май 2006 г., том 28, выпуск 2, стр. 251, https://link. springer.com/article/10.1140/epja/i2006-10057-1

Взгляните на абзац "радиоактивный распад" .

Период полураспада характерен для каждого радиоактивного ядра и зависит от основных взаимодействий, скрепляющих ядро.

Он зависит от квантово-механических вероятностей перехода с одного энергетического уровня на другой, иногда меняя элемент в таблице Менделеева.

Таким образом, чтобы повлиять на период полураспада, нужно было бы повлиять на основные взаимодействия механизма распада. Были предположения о том, что произойдет, если вакуум КТП будет другим, как в эффекте Казимира , (более простое объяснение здесь ), но мне не удалось найти эксперимент.

Простой ответ: нет, период полураспада не может измениться.

Краткий ответ: да, скорость распада может значительно измениться в зависимости от окружающей среды. Однако обычно энергии, необходимые для этого, сравнимы с выходной энергией рассматриваемой ядерной реакции и поэтому (обычно) недостижимы в лаборатории, но соответствующие процессы имеют большое значение в астрофизике для звездного нуклеосинтеза (особенно в сверхновых).

Длинный ответ: Основная проблема с такими эффектами заключается в несоответствии энергии типичной ядерной реакции (от нескольких кэВ до десятков МэВ) и энергии на одну частицу реагента, достижимой в лаборатории. Температура 300 К соответствует только энергии 0,025 эВ, поэтому температурные эффекты будут крайне малой поправкой к уровням энергии ядерных реакций. Химические связи имеют энергию около нескольких эВ, что опять же на несколько порядков меньше энергии, необходимой для воздействия на типичную ядерную реакцию.

Рассмотрим бета-распад (обычный, а не захват электрона). Это приводит к испусканию электрона определенного энергетического распределения (и нейтрино, которым мы будем пренебрегать). Но электроны подчиняются статистике Ферми-Дирака , поэтому, если до события распада уже существует электрон с определенным импульсом и квантовыми числами спина, то другой электрон с точно такими же квантовыми числами не может быть произведен в процессе распада. Таким образом, если у нас вокруг нестабильного ядра есть электронно-вырожденный газ , то распределение электронов, модифицированное для исключения уже занятых энергий электронов, и общая скорость распада будут изменены.

В обычной среде энергия Ферми электронного газа порядка эВ, поэтому в фазовом пространстве запрещенная зона для бета-распада представляет собой лишь маленькое пятно вблизи начала координат внутри большого шара разрешенных электронных состояний. Однако если мы сжимаем вещество, то плотность электронов увеличивается вместе с энергией Ферми. В конечном счете, если энергия Ферми вырожденного электронного газа больше, чем полная энергия, выделяемая при бета-распаде, тогда этот бета-распад вообще не произойдет — таким образом, мы стабилизировали ядро.

Проведем некоторые расчеты. Возьмем, к примеру, бета-распад трития. Электронный спектр имеет максимальную энергию электронов 18,6 кэВ при средней энергии 5,7 кэВ. Таким образом, чтобы полностью подавить распад, нам необходимо иметь энергию Ферми электронного газа, равную 18,6 кэВ. Со страницы википедии об энергии Ферми у нас есть

Это, конечно, огромные плотности, однако гораздо большие плотности вырожденных электронов действительно существуют внутри белых карликов, и поэтому бета-распады (по крайней мере, при относительно низких энергиях) были бы там сильно подавлены. Другая среда, в которой этот эффект подавления имеет большое значение, - это сверхновые с коллапсом ядра, где r-процесс отвечает за образование значительного количества тяжелых ядер, существующих во Вселенной. Одной из вещей, которые позволяют это сделать, является подавление бета-распада.

Что касается того, чтобы этот эффект можно было наблюдать локально вокруг нас, одной из возможностей являются сверхплотные дейтерий и протий . Предполагается, что это гипотетическое и, возможно, наблюдаемое (количество рецензируемых статей довольно велико) состояния материи должны иметь плотность около 100 кг/см3.$^3$, поэтому потенциально это может обеспечить плотность электронов для стабилизации или замедления скорости бета-распада.

Другой подобный эффект - бета-распад связанного состояния , поскольку связанные электроны вокруг ядра можно интерпретировать как вырожденный электронный газ, и поэтому ионизация увеличит возможные допустимые состояния электронов.

Все вышесказанное касается$\beta^-$распада, но для гамма-распада у нас есть индуцированное гамма-излучение , которое потенциально может быть использовано (как в гафниевой бомбе — пока чисто теоретическая конструкция).

Простой ответ — нет, мы не можем изменить период полураспада. У нас нет доступных технологий, которые могли бы повлиять на уровни энергии в ядре настолько, чтобы изменить период полураспада.

Сказав это, я всегда задавался вопросом, может ли эффект Мессбауэра изменить период полураспада. Мессбауэровская спектроскопия измеряет крошечные изменения энергетических уровней ядер из-за их химического окружения. Если вы можете изменить расстояние между энергетическими уровнями в радиоактивном ядре, вы в принципе можете изменить вероятность перехода между ними и, следовательно, изменить период полураспада. Однако я никогда не слышал, чтобы наблюдался этот эффект, и я подозреваю, что сдвиги энергетических уровней были бы слишком малы, чтобы иметь какое-либо существенное значение. Вы можете наблюдать сдвиги только потому, что мессбауэровская спектроскопия чрезвычайно чувствительна.

Да. Это правда, как утверждали другие, что период полураспада как таковой присущ и в основном неизменен. Но, как вы уже догадались, бомбардируя его дополнительным излучением, элементы могут трансмутироваться быстрее (и в другие изотопы), чем сами по себе. Кроме того, таким образом можно трансмутировать элементы, которые сами по себе не радиоактивны.

Практическим искусственным вариантом является нейтронная бомбардировка. Это предлагается как способ сокращения ядерных отходов , вместо того, чтобы ждать столетия, пока они разложатся сами по себе.

Нейтринная бомбардировка также может сделать это. Несмотря на то, что не существует практического метода генерации достаточного количества искусственных нейтрино, чтобы вызвать трансмутацию, это работает как практический метод обнаружения нейтрино из космоса .

Я думаю, что в некотором смысле период полураспада можно увеличить. Если бы вы могли увеличить скорость радиоактивного элемента, близкую к скорости света, то время в его системе отсчета замедлилось бы и, следовательно, его период полураспада увеличился бы. Этот метод используется на БАК для обнаружения атомных или субатомных частиц с очень малым периодом полураспада.

Да, есть независимые переменные для периода полураспада.

Электрический заряд радиоизотопа .

Также нейтринный поток .

Редактировать: скажем, в примере с радиотопом, который распадается за счет захвата электронов, вы теоретически можете полностью ионизировать электроны от вида, тем самым уменьшая скорость распада.

Или сфокусируйте луч питательных веществ из нейтринной пушки на какой-нибудь другой радиоизотоп, чтобы уменьшить период полураспада. Возможно, перемещение источника из земной атмосферы и ближе к солнцу также имело бы такой эффект.