Veränderung der Halbwertszeit radioaktiver Substanzen

Hängt der nukleare Zerfall von Umweltfaktoren ab?

Es gibt zwei bekannte Umwelteinflüsse, die eine Rolle spielen können:

(1) Die erste ist seit langem wissenschaftlich gut etabliert. Beim Elektroneneinfang verbindet sich ein Proton im Kern mit einem Elektron der inneren Schale, um ein Neutron und ein Neutrino zu erzeugen. Dieser Effekt hängt von der elektronischen Umgebung ab, und insbesondere kann der Prozess nicht stattfinden, wenn das Atom vollständig ionisiert ist.

(2) In einigen außergewöhnlichen Beispielen, wie z. B. 187Re, gibt es Beta-Zerfälle mit extrem niedrigen Energien (im keV-Bereich und nicht im üblichen MeV-Bereich). In diesen Fällen gibt es erhebliche Effekte aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips und der umgebenden Elektronenwolke. Siehe Ionisierung eines Beta-Zerfallskerns verursacht schnelleren Zerfall?

Andere Behauptungen über Umweltauswirkungen auf Zerfallsraten sind kuriose Wissenschaften, die oft von Kreationisten in ihren Versuchen zitiert werden, evolutionäre und geologische Zeitskalen zu diskreditieren.

Er et al. (He 2007) behaupten, eine Änderung der Beta-Zerfallsraten von bis zu 11 % festgestellt zu haben, wenn Proben in einer Zentrifuge gedreht werden, und sagen, dass der Effekt bei Rotation im und gegen den Uhrzeigersinn asymmetrisch variiert. Er glaubt, dass es ein mysteriöses Energiefeld gibt, das sowohl biologische als auch nukleare Auswirkungen hat und dass es mit circadianen Rhythmen zusammenhängt. Die nuklearen Effekte wurden nicht beobachtet, als die experimentellen Bedingungen von Ding et al. reproduziert wurden. [Dung 2009]

Jenkins und Fischbach (2008) behaupten, Effekte auf die Alpha-Zerfallsraten auf dem 10^-3-Niveau beobachtet zu haben, die mit einem Einfluss der Sonne korrelieren. Sie schlugen vor, dass ihre Ergebnisse dramatischer getestet werden könnten, indem sie nach Änderungen in der Rate des Alpha-Zerfalls in thermoelektrischen Radioisotopengeneratoren an Bord von Raumsonden suchen. Es stellte sich heraus, dass ein solcher Effekt nicht existierte (Cooper 2009). Unbeeindruckt davon, dass ihre Theorie ihren eigenen vorgeschlagenen Test nicht bestanden hat, haben sie sogar noch verrücktere Ideen veröffentlicht, wie z. B. einen durch Neutrinos vermittelten Effekt von Sonneneruptionen, obwohl Sonneneruptionen ein Oberflächenphänomen sind, während Neutrinos aus dem Kern der Sonne stammen. Eine unabhängige Studie fand keinen solchen Zusammenhang zwischen Fackeln und Zerfallsraten (Parkhomov 2010a). Laborexperimente [Lindstrom 2010] haben auch der Empfindlichkeit des radioaktiven Zerfalls gegenüber dem Neutrinofluss Grenzen gesetzt, die einen Neutrino-vermittelten Effekt auf einem Niveau ausschließen, das um Größenordnungen niedriger ist als das, was erforderlich wäre, um die in [Jenkins 2008 ]. Trotzdem spekulieren Jenkins und Fischbach in [Sturrock 2012] weiterhin über einen Neutrinoeffekt; Die Weigerung, sich mit gegensätzlichen Beweisen auseinanderzusetzen, ist ein Markenzeichen der Kook-Wissenschaft. Sie geben zu, dass die in ihrer Arbeit von 2012 gezeigten Variationen „teilweise auf Umwelteinflüsse zurückzuführen sein können“, scheinen aber nicht anerkennen zu wollen, dass sie, wenn die Stärke dieser Einflüsse unbekannt ist, den gesamten behaupteten Effekt erklären könnten, nicht nur einen Teil davon.

Jenkins und Fischbach haben 2010 weitere Behauptungen auf der Grundlage von Experimenten aufgestellt, die vor Jahrzehnten von anderen Personen durchgeführt wurden, sodass Jenkins und Fischbach keine Möglichkeit haben, mögliche Quellen systematischer Fehler aus erster Hand zu untersuchen. Andere Versuche, das Ergebnis zu reproduzieren, werden ebenfalls von systematischen Fehlern in der gleichen Größe wie der behauptete Effekt geplagt. Zum Beispiel zeigt ein Experiment von Parkhomov (2010b) ein Fourier-Leistungsspektrum, in dem ein Dutzend andere Spitzen fast so deutlich sind wie die behauptete jährliche Variation.

Cardoneet al. behaupten, Schwankungen in der Rate des Alpha-Zerfalls von Thorium beobachtet zu haben, die durch 20-kHz-Ultraschall induziert werden, und behaupten, dass dieser Alpha-Zerfall ohne die Emission von Gammastrahlen auftritt. Ericssonet al. haben auf mehrere schwerwiegende Probleme mit Cardones Experimenten hingewiesen.

In Übereinstimmung mit der Theorie zeigen hochpräzise experimentelle Tests keine nachweisbare Temperaturabhängigkeit in den Raten des Elektroneneinfangs [Goodwin 2009] und des Alpha-Zerfalls. [Gurevich 2008] Goodwins Ergebnisse widerlegen eine Reihe von Ergebnissen einer von Rolfs geleiteten Gruppe, z. [Limata 2006], die eine minderwertige Technik verwendete.

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

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

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

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

Jenkins und 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

Lindströmet al. (2010), http://arxiv.org/abs/1006.5071 , Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 622 (2010) 93-96

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

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

Ericsson et al., Kommentar zu "Piezonuklearer Zerfall von Thorium", Phys. Lette. A 373 (2009) 1956, https://arxiv.org/abs/0907.0623

Ericsson et al., https://arxiv.org/abs/0909.2141

Goodwin, Golovko, Iacob und Hardy, „Halbwertszeit des Elektroneneinfangzerfalls von 97Ru: Präzisionsmessung zeigt keine Temperaturabhängigkeit“ in Physical Review C (2009), 80, 045501, https://arxiv.org/abs/ 0910.4338

Gurevich et al., "The effect of metallic environment and low temperature on the 253Es α zerfallsrate", Bull. Russ. Akad. Wissenschaft. 72 (2008) 315.

Limata et al., „First hints on a change of the 22Na βdecay half-life in the metal Pd“, European Physical Journal A – Hadrons and Nuclei May 2006, Band 28, Ausgabe 2, S. 251, https://link. springer.com/article/10.1140/epja/i2006-10057-1

Schauen Sie sich den Abschnitt "Radioaktiver Zerfall" an .

Die Halbwertszeit ist charakteristisch für jeden radioaktiven Kern und hängt von den grundlegenden Wechselwirkungen ab, die den Kern zusammenhalten.

Es hängt von den quantenmechanischen Wahrscheinlichkeiten des Übergangs von einem Energieniveau zu einem anderen ab und ändert manchmal das Element im Periodensystem.

Um die Halbwertszeit zu beeinflussen, müsste man also die grundlegenden Wechselwirkungen des Zerfallsmechanismus beeinflussen. Es gab Spekulationen darüber, was passieren würde, wenn das QFT-Vakuum anders wäre, wie beim Casimir-Effekt (eine einfachere Erklärung hier ), aber ich konnte kein Experiment finden.

Die einfache Antwort lautet: Nein, die Halbwertszeit kann sich nicht ändern.

Kurze Antwort: Ja, die Zerfallsraten könnten durch die Umgebung erheblich verändert werden. Allerdings sind die dafür erforderlichen Energien in der Regel vergleichbar mit dem Energieoutput der jeweiligen Kernreaktion und damit im Labor (meist) nicht realisierbar, jedoch sind die relevanten Prozesse in der Astrophysik für die stellare Nukleosynthese (insbesondere in Supernovae) von großer Bedeutung.

Lange Antwort: Das Hauptproblem bei solchen Effekten ist die Diskrepanz zwischen der Energie einer typischen Kernreaktion (von mehreren keV bis zu Dutzenden von MeV) und den im Labor erreichbaren Energien pro Reaktantenteilchen. Eine Temperatur von 300 K entspricht nur einer Energie von 0,025 eV, daher wären Temperatureffekte eine extrem kleine Korrektur der Energieniveaus der Kernreaktion. Chemische Bindungen haben Energien um mehrere eV, was wiederum mehrere Größenordnungen kleiner ist als die Energien, die benötigt werden, um eine typische Kernreaktion zu beeinflussen.

Betrachten wir den Beta-Zerfall (ein gewöhnlicher Zerfall, kein Elektroneneinfang). Dies führt zur Emission von Elektronen mit einer bestimmten Energieverteilung (und Neutrinos, die wir ignorieren werden). Aber Elektronen gehorchen der Fermi-Dirac-Statistik . Wenn also vor dem Zerfallsereignis bereits ein Elektron mit einem bestimmten Impuls und einer bestimmten Spinquantenzahl vorhanden ist, kann durch den Zerfallsprozess kein weiteres Elektron mit genau denselben Quantenzahlen erzeugt werden. Wenn wir also elektronenentartetes Gas um den instabilen Kern herum haben, dann würde die Verteilung der Elektronen modifiziert, um die bereits besetzten Elektronenenergien und die Gesamtzerfallsrate auszuschließen.

In der alltäglichen Umgebung liegt die Fermi-Energie von Elektronengas in der Größenordnung von eV, sodass im Phasenraum die verbotene Zone für den Beta-Zerfall nur ein kleiner Fleck in der Nähe des Ursprungs innerhalb der großen Kugel zulässiger Elektronenzustände ist. Wenn wir die Materie jedoch komprimieren, dann steigt mit der Fermi-Energie auch die Elektronendichte. Wenn letztendlich die Fermi-Energie des entarteten Elektronengases größer ist als die Gesamtenergie, die durch den Beta-Zerfall freigesetzt wird, dann würde dieser Beta-Zerfall überhaupt nicht stattfinden – wir haben somit den Kern stabilisiert.

Lassen Sie uns einige Berechnungen anstellen. Nehmen wir zum Beispiel den Beta-Zerfall von Tritium. Das Elektronenspektrum hat eine maximale Elektronenenergie von 18,6 keV bei einer durchschnittlichen Energie von 5,7 keV. Um den Zerfall vollständig zu unterdrücken, benötigen wir also eine Fermi-Energie des Elektronengases von 18,6 keV. Von der Wikipedia-Seite über Fermi-Energie haben wir

Das sind natürlich enorme Dichten, aber innerhalb von Weißen Zwergen existieren viel größere Dichten entarteter Elektronen, und daher würden dort Beta-Zerfälle (zumindest mit relativ niedrigen Energien) stark unterdrückt. Eine weitere Umgebung, in der dieser Unterdrückungseffekt von großer Bedeutung ist, sind Kernkollaps-Supernovae, bei denen der r-Prozess für die Produktion einer beträchtlichen Anzahl schwerer Kerne verantwortlich ist, die im Universum existieren. Eines der Dinge, die es ermöglichen, ist die Unterdrückung des Beta-Zerfalls.

Um diesen Effekt lokal um uns herum beobachtbar zu machen, ist eine Möglichkeit ultradichtes Deuterium und Protium . Diese hypothetischen und möglicherweise beobachteten (die Zahl der von Experten begutachteten Arbeiten ist ziemlich hoch) Materiezustände sollen Dichten von etwa 100 kg / cm haben$^3$, also könnte dies möglicherweise die Elektronendichten liefern, um die Beta-Zerfallsrate zu stabilisieren oder zu verlangsamen.

Ein weiterer ähnlicher Effekt ist der Beta-Zerfall im gebundenen Zustand, da gebundene Elektronen um den Kern herum als entartetes Elektronengas interpretiert werden könnten und daher die Ionisierung die möglichen zulässigen Zustände von Elektronen erhöhen würde.

Alle oben genannten betrifft die$\beta^-$-Zerfall, aber für den Gamma-Zerfall haben wir eine induzierte Gamma-Emission , die potenziell nutzbar sein könnte (wie in der Hafnium-Bombe – bisher ein rein theoretisches Konstrukt).

Die einfache Antwort ist nein, wir können die Halbwertszeit nicht ändern. Uns steht keine Technologie zur Verfügung, die das Energieniveau im Kern ausreichend beeinflussen kann, um eine Änderung der Halbwertszeit vorzunehmen.

Allerdings habe ich mich immer gefragt, ob der Mössbauer-Effekt die Halbwertszeit verändern könnte. Die Mössbauer-Spektroskopie misst winzige Änderungen der Energieniveaus von Kernen aufgrund ihrer chemischen Umgebung. Wenn Sie den Abstand der Energieniveaus in einem radioaktiven Kern ändern können, könnten Sie im Prinzip die Übergangswahrscheinlichkeit zwischen ihnen und damit die Halbwertszeit ändern. Ich habe jedoch noch nie davon gehört, dass dieser Effekt beobachtet wurde, und ich vermute, dass die Verschiebungen der Energieniveaus zu gering wären, um einen signifikanten Unterschied zu machen. Sie können die Verschiebungen nur beobachten, weil die Mössbauer-Spektroskopie außerordentlich empfindlich ist.

Ja. Es ist wahr, wie andere gesagt haben, dass die Halbwertszeit als solche intrinsisch und im Grunde unveränderlich ist. Aber wie Sie vermutet haben, können Elemente durch Beschuss mit weiterer Strahlung schneller (und in andere Isotope) umgewandelt werden, als dies alleine der Fall wäre. Auch Elemente, die selbst nicht radioaktiv sind, können auf diese Weise umgewandelt werden.

Eine praktische künstliche Version ist der Neutronenbeschuss. Dies wird vorgeschlagen, um den Atommüll zu reduzieren , anstatt Jahrhunderte darauf zu warten, dass er von selbst zerfällt.

Auch Neutrino-Bombardement kann dies tun. Obwohl es keine praktische Methode gibt, um genügend künstliche Neutrinos zu erzeugen, um eine Transmutation zu bewirken, funktioniert dies als praktische Methode zum Nachweis von Neutrinos aus dem Weltraum .

Ich denke, in gewissem Sinne kann die Halbwertszeit erhöht werden. Wenn Sie die Geschwindigkeit des radioaktiven Elements nahe der Lichtgeschwindigkeit erhöhen könnten, würde sich die Zeit in seinem Referenzrahmen verlangsamen und daher seine Halbwertszeit erhöhen. Diese Technik wird am LHC zum Nachweis atomarer oder subatomarer Teilchen mit sehr kleiner Halbwertszeit verwendet.

Ja, es gibt unabhängige Variablen für die Halbwertszeit.

Die elektrische Ladung des Radioisotops .

Auch Neutrinofluss .

Bearbeiten: Angenommen, im Beispiel eines Radiotops, das durch Elektroneneinfang zerfällt, könnten Sie Elektronen theoretisch vollständig von der Spezies ionisieren und so die Zerfallsrate verringern.

Oder sagen Sie, fokussieren Sie einen Nährstoffstrahl aus einer Neutrinokanone auf ein anderes Radioisotop, um die Halbwertszeit zu verkürzen. Vielleicht hätte auch das Bewegen der Quelle aus unserer Erdatmosphäre und näher an die Sonne diesen Effekt.