【物理常见问题】-[版权所有]

Dan Watts于2022年1月更新。
Bill Johnson原创，Scott Chase提前更新。


如何改变核衰变率

“我有一个想法，让放射性核比平时衰变得更快/更慢另一件事]。这行得通吗？"

简短回答：可能，但可能没有用处。

长篇回答：“自核科学研究早期以来，核科学的范式之一就是理解放射性物质的半衰期或衰变常数与核外物质无关考虑”。（埃默里，引用如下。）像所有范式一样，这一个也有一些解释。正常放射性物质的衰变通过以下四种机制之一进行：

γ衰变通常发生在其他衰变模式之一的“子核”上。我们忽视了非常异国情调的分析中的碳14排放或双β衰变等过程。

β衰变通常发生在中子过剩的原子核上，中子过剩通过将中子转换为质子进行衰变：

n-->p+e−+反努e（电子）,
其中n表示中子，p表示质子，e−表示电子和反nue（电子）是指电子类型。涉及质子破坏的β衰变类型对许多人来说并不熟悉，因此值得详细说明。在这种衰变中，可能会发生以下两种过程之一：
p-->n+e++努e（电子）,
其中e+表示正电子和nue（电子）指电子中微子；或
p+e公司−--->n+nue（电子）,
电子从正在衰变的原子核附近被捕获。这些过程称为“正电子发射”和“电子俘获”。一个给定的原子核如果质子太多而不稳定，可能通过这些反应中的任何一种（通常是两种）都会经历β衰变。

“转换电子”是由“内部转换”过程产生的，其中通常是γ衰变中发射的是事实上的它的能量被一个原子电子吸收。吸收的能量是通常足以从原子中射出电子。

现在是与衰变率相关的问题。电子捕获和内部转换现象都需要一个电子靠近衰变核的地方。在任何正常原子中，这一要求都得到了极大的满足：最内层电子处于这样的状态：它们靠近原子核的概率很大，而且对环境影响。衰变率仅取决于电子波函数，即取决于内部电子在原子核附近花费的时间。

但这条一般规则也有例外。最值得注意的是天体物理重要的同位素铍-7Be-7完全通过电子俘获（由于衰变能量不足，正电子发射不可能）衰变，半衰期为大约超过50天。研究表明，化学环境的差异导致半衰期的变化0.2%左右，高压会产生一些类似的变化。此外，2004年的一篇论文（见参考文献）衡量了将Be-7原子封装在碳-60笼中，半衰期减少0.8%。衰变率变化的其他核已知存在的是锆-89和锶-85，也是电子捕获剂；锝-99m（“m”表示激发态），通过β和γ辐射衰减；以及其他各种通过伽马辐射衰变的“亚稳”同位素内部转换。在所有其他情况下，影响的大小小于通常情况下的情况北京-7。

是什么使这些案例特别？答案是一个或多个通常的开始假设（例如原子核附近的电子对外力不敏感，或最内层电子的可用性捕获/转换）不完全有效。铍原子一开始只有4个电子，所以“最里面的”电子”实际上也是最外面的因此，它们对化学效应的敏感性要比现在大得多通常。在大多数其他情况下，核结构的缺陷从衰变中产生的能量很少：与大多数放射性衰变相比，只有很少的几个电子伏特，释放出数百或数千个电子伏特属于公斤电子伏特。在这些低能量的情况下，最内层的电子不能经历内部转换。记住，转换电子需要向其释放足够的能量以将其从原子中排出（更多或更少）；“足够的能量”通常是几十keV，因此在这些情况下它们根本不会被转换。 因此，转换只对一些外层电子起作用，这些外层电子对环境更敏感。

一个真正的反常现象是β发射体铼-187。它的衰变能量只有2.6 keV左右，几乎没有核辐射标准。“这种衰变的发生是原子环境对核衰变影响的一个例子：裸核铼-187[即剥离所有轨道电子]对β衰变稳定[但对束缚态β不稳定衰变，在衰变中，出射电子被子核捕获到一个紧密束缚的轨道中]锇[衰变到的]和铼[…]的总电子结合能相差15 keV，这使得衰变可能”（金刚砂）。

1996年的一篇论文（见参考文献）讨论了裸核铼-187的这种束缚态衰变铼-187的半衰期为42×109多年来，作者测量了完全电离的铼-187，得到了一半生命只有33年！他们讨论了铼-187半衰期改变的宇宙学意义恒星内部的电离度，以及这对我们了解星系年龄意味着什么。

α衰变和自发裂变也可能受到核附近电子密度变化的影响，因为不同的原因。这些过程是由于“库仑势垒”的穿透而发生的，它抑制了来自原子核的带电粒子，其速率为非常对障碍物的高度敏感。中的更改原则上，电子密度对势垒的影响很小。但计算表明影响的大小是非常小。对于一些阿尔法发射器，估计变化为10分之一的顺序7或者更少（！），这是不可测量的，因为α发射器的半衰期未知达到一开始的准确度。

总之，由于衰变核的环境，放射性衰变率的变化存在于固体上根据实验和理论。但这些变化的规模并不是什么让人兴奋的事，除了中子轰击的情况。受控中子轰击是核反应堆的基础（和呈指数级增长的核轰炸是核裂变炸弹的基础）。

在非洲中西部的加蓬国家，有一个被称为Oklo的铀矿床。这是唯一已知的天然自我维持的核裂变位点。正如1989年的一篇论文（见参考文献）所述，其铀-235浓度为占铀总含量的0.48%至0.68%，而铀的浓度通常为0.72%。 这种损耗与核裂变的影响是一致的。

虽然Oklo是唯一已知的天然反应堆场地，但闪电放电产生的中子至少自1985年起报告；所以如果你在风暴中把可裂变物质排除在外，它的裂变率可能是暂时的被光诱导的中子增加。

工具书类

也许关于这个主题最好的评论文章是G.T.Emery，核衰变率的扰动，年度审查核科学22第165页（1972年）。那篇文章引用了描述具体实验的论文，其中包含相当神秘的数学，但也给出了所涉及内容的合理定性感觉。

Ohtsuki等人最近对封装在C-60笼中的Be-7进行了研究。，Be-7的增强电子俘获衰减率封装在C-60笼中。物理学。修订稿。93, 112501 (2004).

关于完全电离铼-187半衰期的讨论，见Bosch等人。，结合态β的观察−完全电离的衰变187重新：187回复-187Os宇宙光度法，物理。修订稿。77, 5190 (1996).

关于Oklo天然反应堆的讨论可以在F.Gauthier-Lafaye和F.Weber中找到，天然裂变反应堆奥克洛、经济地质84, 2286 (1989)

一些讨论雷暴中子产生的论文如下：