半減期という用語は、放射性物質の単一の原子がいつ崩壊するかを正確に予測することを不可能にする、放射性崩壊の指数関数的および量子的性質のために適切です。代わりに、半減期の測定は統計に関連しており、一定量の物質が半減するのにかかる時間を表しています。 腐敗の結果として。
「半減期」という言葉を聞くと、同名の人気テレビゲームを思い浮かべる人が多いが、原子力、兵器、貯蔵、廃棄物について読んだことがある人なら誰でも、それが放射性元素に関連していることに気付くだろう.科学者は物質の半減期を測定します。これは、特定の物質が放出する放射線の量を知るためです。半減期は物質ごとに固定定数であるため、専門家は物質の寿命を正確に予測できます。
放射性物質の場合、これにより、物質が脅威を与えなくなるまでにかかる時間を確立できます。炭素 14 などの他の物質の場合、半減期は放射年代測定 (炭素年代測定) に役立ち、古代遺跡のおおよその年代を決定できます!これは、核化学に精通していない人にとっては少し複雑に思えるかもしれませんが、完全に理解するのに便利で用途の広い概念です。
放射性崩壊とは?
ご存知かもしれませんが、原子元素は異なる同位体を持つことができます。これは、同じ数の陽子を持つ元素の異なるバージョンですが、原子核内に含まれる中性子の数は異なります。したがって、これらの同位体の原子量は物理的性質の一部と同様に異なりますが、化学的性質は一般的に同じです。すべての化学元素には 1 つ以上の同位体があり、そのうちのいくつかは安定しており、他は不安定です。陽子と中性子を引き離そうとする力よりも、陽子と中性子を結びつけている力が強い場合、原子核は安定していると見なされます (強い原子力と静電反発力)。
これの最も単純な例は水素で、これには 2 つの安定同位体、つまりプロチウム (1 つの陽子) と重水素 (1 つの陽子と 1 つの中性子を持つ「重水素」として知られています) があります。ただし、水素にはトリチウムとして知られる不安定な自然発生同位体もあり、1 つの陽子と 2 つの中性子があります。この ラジオアイソトープ の不安定性 より安定した別の形に分解したいということです。
ロマンスに苦しむ人間のように、原子核は常に安定を求めており、放射性崩壊のプロセスを通じてこれを達成できます。 .原子核内にエネルギーが多すぎてまとまらない場合、原子核は崩壊し、原子核を不安定にする部分 (核子) の少なくとも一部が失われます。元の不安定な原子核は「親」と呼ばれ、より安定した原子核は「娘」と呼ばれます。娘はまだ放射性（不安定）である可能性がありますが、以前よりも安定しているため、さらに崩壊する可能性があります.より多くの核子を持つより大きな元素、つまり原子番号が 83 を超える元素は原子核が不安定であるため、放射性があります。ただし、その放射能の強度は大きく異なる可能性があります。
たとえば、ポロニウム (Po-210) は、安定同位体を持たない希少で揮発性の高い放射性同位体です。それは、アルファ崩壊中に信じられないほど高エネルギーの放射線を放出し、実際には青く光ります! 最も放射性の高い元素の 1 つです。ただし、比較的急速に減衰し、半減期があります わずか 140 日間で、崩壊生成物として鉛 (Pb-206) に分解されます。
Po-210:ポロニウムの揮発性放射性同位元素 (写真提供:Meggi/Shutterstock)
原子核に見られる不安定性のタイプに基づいて、3 つのタイプの放射性崩壊が発生します。
アルファ崩壊
アルファ崩壊の場合、核はアルファ粒子 (2 つの陽子と 2 つの中性子、本質的にはヘリウム原子) を放出することによって安定を求めます。このタイプの崩壊の後、原子番号は 2 減少します。ウラン 238 は自然界で最も一般的なウランの同位体で、半減期は 45 億年ですが、原子核が崩壊するとアルファ粒子を放出してトリウム 234 になります。アルファ粒子は多くの物質を透過することはできませんが (1 枚の紙で止めることができます!)、依然として高速で放出され、近くの原子から電子を奪う可能性があるため、生きている細胞にとって危険な場合があります。したがって、アルファ粒子は体内に取り込まれたり体内に入ったりすると危険ですが、人の衣服を透過することさえできないため、一般的には人間には無害であると考えられています!
アルファ崩壊図 (写真提供:OSweetNature/Shutterstock)
ベータ崩壊
ベータ崩壊が起こると、ベータ粒子 (電子) の流れが原子核から放出され、中性子の 1 つが陽子に変換されるか (β-崩壊)、または陽子が中性子に変化します (β+ 崩壊)。原子量は変わりませんが、原子番号は 1 ずつ増減します。ベータ崩壊の一般的な例は、ストロンチウム 90 のイットリウム 90 同位体への原子分解であり、このベータ崩壊プロセス中に電子を放出します。ベータ粒子はアルファ粒子の約 8,000 分の 1 の大きさであるため、アルファ粒子とは異なり、衣服や皮膚を貫通する可能性があるため、より危険であると考えられています。 /P>
ベータ崩壊図 (写真提供:OSweetNature/Shutterstock)
ガンマ崩壊
前の 2 つの形式の崩壊はヘリウム原子と電子/陽電子を放出しますが、ガンマ崩壊は高エネルギーの光子の放出をもたらし、原子番号や質量数を変更することなく、核がより安定した形式に到達できるようにします。放出には質量がなく、ほとんどすべての物質を通過できるため、これは最も危険な形態の放射線です。これらの「ガンマ線」を効果的にブロックするには、数インチの鉛または数フィートのコンクリートが必要です。これらの「ガンマ線」は、何も考えずに体を直接通過し、骨髄から最も敏感な臓器の組織まですべてに影響を与えます.ガンマ線は本質的に光の形であり、星の爆発やその他の核反応の結果として生まれる強力なタイプの電磁放射です。
半減期とは?
放射性崩壊、半減期の考え方について理解できたので、 妊娠しやすくなります。放射性同位体がアルファ、ベータ、ガンマ崩壊によってより安定した形に分解されると、元の「親」物質の量が減少します。現在、原子は信じられないほど小さく予測できないため、特定の原子核がいつ放射性崩壊を起こすかを正確に知る方法はありません。ただし、多数 (数百万、数十億、または数兆個の個々の原子) を考慮すると、放射性崩壊の統計的可能性を測定できます。
個々の原子の量子挙動を評価することは不可能ですが、原子の大規模なグループの挙動は確率に左右されるため、信頼できるレベルの統計的確実性が得られます。核物理学では、半減期は、放射性同位体が放射性崩壊を起こす速さ、または安定同位体が無傷のままである時間を測定するのに役立ちます。例で半減期を理解するのはおそらく最も簡単です。ベータ崩壊によって銅-63 に分解される放射性同位体ニッケル-63 の半減期を考えてみましょう。
ニッケル 63 の半減期は 100 年なので、1,000,000 個の原子で構成されるこの放射性元素のサンプルを考えてみましょう。 100 年後、約 500,000 個の原子が銅 63 に分解されます。銅 63 は、放射線を放出したり、それ以上崩壊したりすることはありませんが、500,000 個の放射性ニッケル 63 原子が残ります。これをもう少し推測してみましょう…
100 年 – 500,000 個のニッケル 63 原子
200 年 – 250,000 個のニッケル 63 原子
300 年 – 125,000 個のニッケル 63 原子
400 年 – 62,500 個のニッケル 63 原子
500 年 – 31,250 個のニッケル 63 原子
600 年 – 15,625 個のニッケル-63 原子
放射性同位体が分解して「娘」物質の安定同位体になると、それ以上崩壊したり放射線を放出したりすることはありません。したがって、時間が経つにつれて、同じ放射性物質がそれほど多くのアルファ、ベータ、またはガンマ粒子を放出しなくなるため、危険性は低くなります。 10 回の半減期の後、サンプルからの元の放射能の 1,000 分の 1 未満になり、一般的に完全に無害であると見なされます。
各物質の放射性分解速度は一定のままですが、すべての同位体の半減期は水素 7 (陽子 1 個と中性子 6 個) から 2.3×10-23 秒までの範囲で異なります。テルル 128 (52 個の陽子と 76 個の中性子) は、半減期が 2.2 × 1024 年 (宇宙の年齢の 150 兆倍) です!
最後の言葉
原子または量子スケールで物事を見始めると、単一の原子に関して正確に把握することははるかに困難になります。ウラン 235 の 1 つの原子を見ると、それがいつ放射性崩壊を起こし、トリウム 231 の 1 つの原子になるかを知ることは不可能です。しかし、ウラン 235 の 100 万個の原子を観察すると、原子の半分が 7 億 300 万年以内にアルファ崩壊すると言うのは正確な統計的確率です!
半減期は通常、核物理学に関連付けられていますが、特定の薬物の薬物動態、植物での殺虫剤の使用、恐竜化石の放射性炭素年代測定などの医療技術にも適用可能で有用な概念です。 !半減期の計算は、予測不可能な量子領域を理解する方法であり、この惑星の環境と生命の両方に対する放射性物質の長期的な影響を評価することができます!
