放射性崩壊と半減期の関係

原子核にある陽子と中性子の数が不均衡であるために不安定な、特定の天然同位体があります。したがって、安定するために、これらの同位体は放射性崩壊と呼ばれる自発的なプロセスを経ます。放射性崩壊により、特定の元素の同位体が別の元素の同位体に変換されます。ただし、放射性崩壊の最終生成物は、最初の同位体よりも常に安定しています。特定の物質の放射性崩壊は、半減期として知られる特別な用語によって測定されます。 物質が放射性崩壊によって初期質量の半分になるまでにかかる時間は、その物質の半減期として測定されます。 これが放射性崩壊と半減期の関係です。

対象となる主要分野

1.放射性崩壊とは –定義、メカニズム、例 2.半減期とは何ですか –定義、例を含む説明 3.放射性崩壊と半減期の関係は何ですか –放射性崩壊と半減期

重要な用語：半減期、同位体、中性子、陽子、放射性崩壊

放射性崩壊とは

放射性崩壊は、不安定な同位体が放射線を放出することによって崩壊するプロセスです。不安定な同位体は、不安定な原子核を持つ原子です。原子は、原子核内に多数の陽子が存在する、または原子核内に多数の中性子が存在するなど、いくつかの理由で不安定になる可能性があります。これらの原子核は、安定するために放射性崩壊を起こします。

陽子と中性子が多すぎると、原子は重くなります。これらの重い原子は不安定です。したがって、これらの原子は放射性崩壊を受ける可能性があります。他の原子も、それらの中性子：プロトン比に従って放射性崩壊を受ける可能性があります。この比率が高すぎると、中性子が豊富になり、不安定になります。比率が低すぎると、陽子が豊富な原子であり、不安定になります。物質の放射性崩壊は、3つの主要な方法で発生する可能性があります。

アルファ放射

アルファ粒子はヘリウム原子と同じです。それは2つの陽子と2つの中性子で構成されています。 2つの陽子の正電荷を中和する電子がないため、アルファ粒子は+2の電荷を帯びています。アルファ崩壊により、同位体は2つの陽子と2つの中性子を失います。したがって、放射性同位元素の原子番号は2単位減少し、原子量は4単位から減少します。ウランなどの重元素はアルファ放射を受ける可能性があります。

ベータ放射

ベータ放出（β）の過程で、ベータ粒子が放出されます。ベータ粒子の電荷に応じて、それは正に帯電したベータ粒子または負に帯電したベータ粒子のいずれかである可能性があります。 βなら^– 放出された場合、放出された粒子は電子です。それがβ+放出である場合、粒子は陽電子です。陽電子は、電荷を除いて電子と同じ性質を持つ粒子です。陽電子の電荷は正ですが、電子の電荷は負です。ベータ放出では、中性子は陽子と電子（または陽電子）に変換されます。したがって、原子量は変化しませんが、原子番号は1単位増加します。

ガンマ発光

ガンマ線は粒子状ではありません。したがって、ガンマ線放出は、原子の原子番号または原子量のいずれも変更しません。ガンマ線は光子で構成されています。これらの光子はエネルギーのみを運びます。したがって、ガンマ放出により、同位体はエネルギーを放出します。

図1：ウラン235の放射性崩壊

ウラン235は自然に見つかる放射性元素です。さまざまな条件で3種類すべての放射性崩壊を起こす可能性があります。

半減期とは何ですか

物質の半減期は、放射性崩壊によってその物質が初期の質量または濃度の半分になるまでにかかる時間です。この用語には記号tが付けられています_1/2。半減期という用語は、個々の原子がいつ崩壊するかを予測することができないために使用されます。しかし、放射性元素の核の半分にかかる時間を測定することは可能です。

半減期は、核の数または濃度のいずれかに関して測定できます。同位体が異なれば、半減期も異なります。したがって、半減期を測定することにより、特定の同位体の有無を予測することができます。半減期は、物質の物理的状態、温度、圧力、またはその他の外部の影響とは無関係です。

物質の半減期は、次の式を使用して決定できます。

ln（N_NS / NS_o）= kt

どこ、

NS_NS t時間後の物質の質量です

NS_o 物質の初期質量です

Kは減衰定数です

tは考慮される時間です

図02：放射性崩壊の曲線

上の画像は、物質の放射性崩壊の曲線を示しています。時間は年単位で測定されます。そのグラフによると、物質が初期質量（100％）から50％になるまでにかかる時間は1年です。 2年後には100％が25％（初期質量の4分の1）になります。したがって、その物質の半減期は1年です。

100% → 50% → 25% → 12.5% → → →

(1^NS 半減期）（2^NS 半減期）（3^rd 人生の半分）

上記のチャートは、グラフから得られた詳細をまとめたものです。

放射性崩壊と半減期の関係

放射性崩壊と放射性物質の半減期の間には直接的な関係があります。放射性崩壊の速度は、半減期に相当するもので測定されます。上記の式から、放射性崩壊率を計算するための別の重要な式を導き出すことができます。

ln（N_NS / NS_o）= kt

質量（または原子核の数）は半減期後の初期値の半分であるため、

NS_NS = N_o/2

それで、

ln（{N_o/ 2} / N_o）= kt_1/2

ln（{1/2} / 1）= kt_1/2

ln（2）= kt_1/2

したがって、

NS_1/2 = ln2 / k

ln2の値は0.693です。それで、

NS_1/2 = 0.693 / k

ここで、t_1/2 は物質の半減期であり、kは放射性崩壊定数です。上記の式は、放射性の高い物質はすぐに消費され、放射性の弱い物質は完全に崩壊するまでに長い時間がかかることを示しています。したがって、長い半減期は速い放射性崩壊を示し、短い半減期は遅い放射性日を示します。一部の物質の半減期は、放射性崩壊を起こすのに数百万年かかる可能性があるため、決定できません。