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放射性衰变与半衰期

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年10月9日 (五) 08:48的版本 (补充物理主线:受力、运动、光磁热与衰变的推导和原创配图)
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有些原子核不稳定,会自发变成其他核素并放出粒子或辐射。对单个原子核,不能预报它恰在何时衰变;对大量同种未衰变的核,若环境及核种不变,可以用统计规律预测平均剩余数量。这里的数量 N(t) 专指原来那一种母核,不把生成的子核算进去。

从每核概率到指数规律

设每个母核在很短时间 dt 内衰变的概率近似为 λdt,λ>0 为衰变常数,单位是时间的倒数。剩余母核越多,单位时间的平均减少量越大,即 dN/dt=−λN。把变量分开并从 0 时刻的 N0 积分到 t 时刻的 N: ∫N0NdN′N′=−λ∫0tdt′⟹ln⁡NN0=−λt,N(t)=N0e−λt. 半衰期 T1/2 是平均剩余数量降为原来一半所需的时间。令 N(T1/2)=N0/2,可得 λT1/2=ln⁡2,于是 T1/2=ln⁡2λ,N(t)=N0,2−t/T1/2.

剩余母核平均数量随时间按指数曲线下降;零、一、二、三个半衰期处分别为初始数量的全部、二分之一、四分之一、八分之一
半衰期每次把当时的剩余量减半,不是每次减去同一个固定数量。

三个半衰期之后

假想样品起初有 N0=8000 个同种母核,半衰期为 5 年。经过 15 年是三个半衰期,平均剩余 8000×(1/2)3=1000 个,平均已衰变 7000 个。若样品只有很少几个原子核,实际剩余整数可能偏离这个平均值,不能把指数式解释为“每个原子核都恰在第五年衰变”。

活度 A=λN 是单位时间的平均衰变次数;若 λ 以 s−1 计,活度单位 1Bq=1 次每秒。由于 A 与 N 成正比,同一样品在没有额外生成母核的条件下,活度也按相同半衰期下降。用衰变推年龄时,还要说明初始母核或子核的数量如何确定,以及样品自形成后是否可视为封闭;只有半衰期本身并不能直接给出年龄。

参考资料