Cambio de la vida media de las sustancias radiactivas

¿Las tasas de desintegración nuclear dependen de factores ambientales?

Hay dos efectos ambientales conocidos que pueden ser importantes:

(1) El primero ha sido científicamente bien establecido durante mucho tiempo. En el proceso de captura de electrones, un protón en el núcleo se combina con un electrón de la capa interna para producir un neutrón y un neutrino. Este efecto depende del entorno electrónico y, en particular, el proceso no puede ocurrir si el átomo está completamente ionizado.

(2) En algunos ejemplos excepcionales, como el 187Re, hay desintegraciones beta con energías extremadamente bajas (en el rango de keV, en lugar del rango habitual de MeV). En estos casos, hay efectos significativos debido al principio de exclusión de Pauli y la nube de electrones circundante. ¿ Ves que la ionización de un núcleo de desintegración beta provoca una desintegración más rápida?

Otras afirmaciones de los efectos ambientales sobre las tasas de descomposición son ciencia chiflada, a menudo citada por los creacionistas en sus intentos de desacreditar las escalas de tiempo evolutivas y geológicas.

Él et al. (He 2007) afirman haber detectado un cambio en las tasas de desintegración beta de hasta un 11 % cuando las muestras se giran en una centrífuga, y dicen que el efecto varía asimétricamente con la rotación en sentido horario y antihorario. Él cree que hay un campo de energía misterioso que tiene efectos tanto biológicos como nucleares, y que se relaciona con los ritmos circadianos. Los efectos nucleares no se observaron cuando las condiciones experimentales fueron reproducidas por Ding et al. [Ding 2009]

Jenkins y Fischbach (2008) afirman haber observado efectos en las tasas de desintegración alfa en el nivel 10^-3, en correlación con la influencia del sol. Propusieron que sus resultados podrían probarse de manera más dramática al buscar cambios en la tasa de desintegración alfa en generadores termoeléctricos de radioisótopos a bordo de sondas espaciales. Tal efecto resultó no existir (Cooper 2009). Sin inmutarse por el fracaso de su teoría para pasar su propia prueba propuesta, han publicado ideas aún más extravagantes, como un efecto mediado por neutrinos de las erupciones solares, a pesar de que las erupciones solares son un fenómeno superficial, mientras que los neutrinos provienen del núcleo del sol. Un estudio independiente no encontró tal vínculo entre las llamaradas y las tasas de descomposición (Parkhomov 2010a). Los experimentos de laboratorio [Lindstrom 2010] también han puesto límites a la sensibilidad de la desintegración radiactiva al flujo de neutrinos que descartan un efecto mediado por neutrinos a un nivel de órdenes de magnitud menor que el que se requeriría para explicar las variaciones afirmadas en [Jenkins 2008 ]. A pesar de esto, Jenkins y Fischbach continúan especulando sobre un efecto de neutrino en [Sturrock 2012]; la negativa a lidiar con evidencia contraria es un sello distintivo de la ciencia chiflada. Admiten que las variaciones mostradas en su trabajo de 2012 "pueden deberse en parte a las influencias ambientales", pero no parecen querer reconocer que si se desconoce la fuerza de estas influencias, pueden explicar todo el efecto declarado, no solo en parte. de eso

Jenkins y Fischbach hicieron más afirmaciones en 2010 basadas en experimentos realizados hace décadas por otras personas, por lo que Jenkins y Fischbach no tienen forma de investigar de primera mano las posibles fuentes de error sistemático. Otros intentos de reproducir el resultado también están plagados de errores sistemáticos del mismo tamaño que el efecto pretendido. Por ejemplo, un experimento de Parkhomov (2010b) muestra un espectro de potencia de Fourier en el que una docena de otros picos son casi tan prominentes como la variación anual declarada.

Cardone et al. afirman haber observado variaciones en la tasa de desintegración alfa del torio inducida por ultrasonido de 20 kHz y afirman que esta desintegración alfa se produce sin la emisión de rayos gamma. Ericsson et al. han señalado múltiples problemas graves con los experimentos de Cardone.

De acuerdo con la teoría, las pruebas experimentales de alta precisión no muestran una dependencia detectable de la temperatura en las tasas de captura de electrones [Goodwin 2009] y decaimiento alfa. [Gurevich 2008] Los resultados de Goodwin desacreditan una serie de resultados de un grupo dirigido por Rolfs, por ejemplo, [Limata 2006], que utilizó una técnica inferior.

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

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

Jenkins y Fischbach (2008), https://arxiv.org/abs/0808.3283v1 , Astropart.Phys.32:42-46,2009

Jenkins y Fischbach (2009), https://arxiv.org/abs/0808.3156 , Astropart.Phys.31:407-411,2009

Jenkins y Fischbach (2010), https://arxiv.org/abs/1007.3318

Parkhomov 2010a, https://arxiv.org/abs/1006.2295

Parkhomov 2010b, https://arxiv.org/abs/1012.4174

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

Lindström et al. (2010), http://arxiv.org/abs/1006.5071 , Instrumentos y métodos nucleares en investigación física A, 622 (2010) 93-96

Sturrock 2012, https://arxiv.org/abs/1205.0205

F. Cardone, R. Mignani, A. Petrucci, Phys. Letón. 373 (2009) 1956

Ericsson et al., Comentario sobre "Desintegración piezonuclear del torio", Phys. Letón. A 373 (2009) 1956, https://arxiv.org/abs/0907.0623

Ericsson y otros, https://arxiv.org/abs/0909.2141

Goodwin, Golovko, Iacob y Hardy, "Vida media de la descomposición por captura de electrones del 97Ru: la medición de precisión no muestra dependencia de la temperatura" en Physical Review C (2009), 80, 045501, https://arxiv.org/abs/ 0910.4338

Gurevich et al., "El efecto del entorno metálico y la baja temperatura en la tasa de descomposición de 253Es α", Bull. Ruso. Academia ciencia 72 (2008) 315.

Limata et al., "Primeros indicios sobre un cambio en la vida media de desintegración de β22Na en el metal Pd", European Physical Journal A - Hadrons and Nuclei, mayo de 2006, Volumen 28, Número 2, pág. 251, https://link. springer.com/article/10.1140/epja/i2006-10057-1

Eche un vistazo al párrafo "desintegración radiactiva" .

La vida media es característica de cada núcleo radiactivo y depende de las interacciones básicas que mantienen unido al núcleo.

Depende de las probabilidades mecánicas cuánticas de transición de un nivel de energía a otro, a veces cambiando de elemento en la tabla periódica.

Por lo tanto, para afectar la vida media, habría que afectar las interacciones básicas del mecanismo de descomposición. Ha habido especulaciones sobre qué pasaría si el vacío QFT fuera diferente, como en el efecto Casimir , (una explicación más sencilla aquí ), pero no he podido encontrar un experimento.

La respuesta simple es, no, la vida media no puede cambiar.

Respuesta corta: sí, las tasas de descomposición podrían cambiar considerablemente según el entorno. Sin embargo, generalmente las energías requeridas para esto son comparables a la producción de energía de la reacción nuclear en cuestión y, por lo tanto, (generalmente) no se pueden lograr en el laboratorio, pero los procesos relevantes son de gran importancia en astrofísica para la nucleosíntesis estelar (particularmente en supernovas).

Respuesta larga: el principal problema con tales efectos es la discrepancia entre la energía de una reacción nuclear típica (de varios keV a decenas de MeV) y las energías por partícula reactiva que se pueden lograr en el laboratorio. La temperatura de 300K corresponde solo a la energía de 0,025 eV, por lo que los efectos de la temperatura serían una corrección extremadamente pequeña de los niveles de energía de la reacción nuclear. Los enlaces químicos tienen energías de alrededor de varios eV, que nuevamente son varios órdenes de magnitud más pequeños que las energías necesarias para afectar una reacción nuclear típica.

Consideremos la desintegración beta (la ordinaria, no la captura de electrones). Da como resultado la emisión de electrones de una cierta distribución de energía (y neutrinos que ignoraremos). Pero los electrones obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac, por lo que si antes del evento de desintegración ya hay un electrón con cierto momento y números cuánticos de espín, entonces el proceso de desintegración no puede producir otro electrón con exactamente los mismos números cuánticos. Entonces, si tenemos gas degenerado de electrones alrededor del núcleo inestable, entonces la distribución de electrones modificada para excluir las energías de electrones ya ocupadas y la tasa de descomposición general cambiarían.

En el entorno cotidiano, la energía de Fermi del gas de electrones es del orden de eV, por lo que en el espacio de fase la zona prohibida para la desintegración beta es solo un pequeño punto cerca del origen dentro de la gran bola de estados de electrones permitidos. Sin embargo, si comprimimos la materia, la densidad de electrones aumenta junto con la energía de Fermi. En última instancia, si la energía de Fermi del gas de electrones degenerados es mayor que la energía total liberada por la desintegración beta, entonces esta desintegración beta no ocurriría en absoluto; por lo tanto, habremos estabilizado el núcleo.

Hagamos algunos cálculos. Tomemos, por ejemplo, la desintegración beta del tritio. El espectro electrónico tiene una energía electrónica máxima de 18,6 keV con una energía media de 5,7 keV. Entonces, para suprimir la descomposición por completo, necesitamos tener una energía de Fermi del gas de electrones igual a 18.6 keV. De la página de wikipedia sobre la energía de Fermi tenemos

Estas son, por supuesto, densidades enormes, sin embargo, existen densidades mucho mayores de electrones degenerados dentro de las enanas blancas y, por lo tanto, las desintegraciones beta (al menos con energías relativamente bajas) se suprimirían en gran medida allí. Otro entorno donde este efecto de supresión es de gran importancia es el colapso del núcleo de las supernovas, donde el proceso r es responsable de la producción de un número considerable de núcleos pesados ​​que existen en el universo. Una de las cosas que lo permiten es la supresión de la desintegración beta.

En cuanto a tener este efecto observable localmente a nuestro alrededor, una posibilidad es el deuterio y el protio ultradensos . Este supuesto y posiblemente observado (el número de artículos revisados ​​por pares es bastante alto) se supone que los estados de la materia tienen densidades de alrededor de 100 kg/cm$^3$, por lo que potencialmente esto podría proporcionar las densidades de electrones para estabilizar o ralentizar la tasa de desintegración beta.

Otro efecto similar es el decaimiento beta del estado ligado, ya que los electrones ligados alrededor del núcleo podrían interpretarse como el gas de electrones degenerado y, por lo tanto, la ionización aumentaría los posibles estados permisibles de los electrones.

Todo lo anterior se refiere a la$\beta^-$decaimiento, pero para el decaimiento gamma tenemos emisión gamma inducida que podría ser potencialmente explotable (como en la bomba de hafnio, hasta ahora una construcción puramente teórica).

La respuesta simple es no, no podemos cambiar la vida media. No hay tecnología disponible para nosotros que pueda afectar los niveles de energía en el núcleo lo suficiente como para hacer un cambio en la vida media.

Habiendo dicho eso, siempre me he preguntado si el efecto Mossbauer podría cambiar la vida media. La espectroscopia de Mossbauer mide pequeños cambios en los niveles de energía de los núcleos debido a su entorno químico. Si puede cambiar el espaciado de los niveles de energía en un núcleo radiactivo, en principio podría cambiar la probabilidad de transición entre ellos y, por lo tanto, cambiar la vida media. Sin embargo, nunca escuché que se observara este efecto, y sospecho que los cambios en los niveles de energía serían demasiado pequeños para hacer una diferencia significativa. Solo puede observar los cambios porque la espectroscopia de Mossbauer es exquisitamente sensible.

Sí. Es cierto, como han dicho otros, que la vida media, como tal, es intrínseca y básicamente inmutable. Pero, como habrás adivinado, al bombardearlo con más radiación, los elementos se pueden transmutar más rápido (y en diferentes isótopos) de lo que lo harían por sí solos. Además, los elementos que no son radiactivos por sí mismos pueden transmutarse de esta manera.

Una versión artificial práctica es el bombardeo de neutrones. Esto se propone como una forma de reducir los desechos nucleares , en lugar de esperar siglos para que se descomponga por sí solo.

El bombardeo de neutrinos también puede hacer esto. Aunque no existe un método práctico para generar suficientes neutrinos artificiales para causar la transmutación, este funciona como un método práctico para detectar neutrinos desde el espacio .

Creo que, en cierto sentido, la vida media se puede aumentar. Si pudiera aumentar la velocidad del elemento radiactivo cerca de la velocidad de la luz, entonces el tiempo en su marco de referencia se ralentizaría y, por lo tanto, su vida media aumentaría. Esta técnica es la que se utiliza en el LHC para detectar partículas atómicas o subatómicas de vida media muy pequeña.

Sí, hay variables independientes para la vida media.

La carga eléctrica del radioisótopo .

También flujo de neutrinos .

Editar: digamos en el ejemplo de un radiotopo que se desintegra por captura de electrones, en teoría podría ionizar completamente los electrones de la especie, reduciendo así la tasa de descomposición.

O digamos enfocar un haz de nutrientes de un cañón de neutrinos sobre algún otro radioisótopo para reducir la vida media. Quizá sacar la fuente de la atmósfera terrestre y acercarla al sol también tendría este efecto.