Радиоактивный распад и период полураспада

Нестабильные атомные ядра распадаются случайно, одно за другим, и предсказать момент распада конкретного ядра невозможно. Но в большой выборке картина полностью предсказуема: после одного периода полураспада остаётся ровно половина исходных ядер, а после каждого следующего распадается половина оставшихся.

Формула

N = N₀ · (½)^(t/t½)

  • N — оставшееся количество (g): количество вещества, ещё остающееся в момент t
  • N₀ — начальное количество (g): количество в самом начале, при t равном нулю
  • t — прошедшее время (s): сколько времени прошло с начала
  • t½ — период полураспада (s): время, за которое распадается половина образца

Решённый пример

Образец 80 gram радиоактивного изотопа имеет период полураспада 5 days. Сколько останется после 10 days?

  • N₀ = 80 g
  • t½ = 5 дней
  1. N = N₀ · (½)^(t/t½)
  2. N = 80 g · (½)^(10/5) = 80 g · (½)²

N = 20 g

Проверьте себя

Тот же образец 80 gram продолжает распадаться. Сколько останется после 15 days?
  • 40 g
  • Правильный ответ: 10 g
  • 26.7 g

Верно! Три периода полураспада: 80 g → 40 g → 20 g → 10 g.

После 3 периодов полураспада какая доля исходного образца остаётся?
  • Правильный ответ: 1/8
  • 1/3
  • 1/6

Верно! Одна вторая на одну вторую на одну вторую равна одной восьмой.

Где вы это видите

Археологи датируют древнюю древесину и кости по углероду-14, чья концентрация после смерти неуклонно падает из-за периода полураспада в 5 730 лет, — измерив, что осталось, читают календарь. Больницы используют тот же закон распада с короткоживущими трассерами, которые светятся сквозь тело и угасают в течение дня.

Частые ошибки

Арифметическая ошибка — считать, что каждый период полураспада вычитает фиксированное количество: он умножает на одну вторую, поэтому три периода полураспада оставляют одну восьмую (½ × ½ × ½), никогда не ноль и никогда «ушло три вторых»: образец 80 g проходит 80 → 40 → 20 → 10 g. Концептуальная ошибка — ожидать, что отдельные ядра подчиняются закону: любое отдельное ядро распадается в случайный, непознаваемый момент; предсказуемыми становятся только большие выборки.

Как это связано

Распад — это теория вероятностей, применённая к ядрам, — та же логика закона больших чисел, что и у энтропии в термодинамике, — и он передаёт следующему уроку его вопрос: ПОЧЕМУ одни ядра нестабильны, а другие нет? Ответ, энергия связи, вдобавок снова приводит c² из теории относительности, чтобы назначить цену этой разнице.

Попробовать интерактивную симуляцию

Связанные концепции