为什么半衰期长的灵敏度高（为什么用半衰期）

当人们听到“半衰期”这个词时，了解核能、核武器、或核废料的人都会意识到它与放射性元素有关。半衰期是每一种不同物质的固定常数，专家利用该固定常数能够准确预测物质的寿命。

对于放射性物质，半衰期可以确定放射性物质不再构成威胁所需的时间； 对于其他物质（例如碳14），半衰期可以帮助进行放射性测年（碳测年），从而确定古代遗骸的大致年龄！对于不熟悉核化学的人来说，这似乎有些复杂，但它是一个有用且用途广泛的概念。

正如你可能知道的，原子元素可以有不同的同位素，这是一个元素的不同版本，有相同数量的质子，但核内包含不同数量的中子。因此，这些同位素的原子质量会不同，它们的一些物理性质也会不同，但它们的化学性质通常是相同的。每一种化学元素都有一种或多种同位素，有些是稳定的，有些是不稳定的。当把质子和中子结合在一起的力大于试图把它们分开的力（强原子力与静电斥力）时，原子核被认为是稳定的。

最简单的例子是氢，它有两个稳定的同位素：质子（1个质子）和氘（称为“重氢”，有1个质子和1个中子）。然而，氢还有一种不稳定的天然同位素氚，它有1个质子和2个中子。这种放射性同位素的不稳定性意味着它想分解成另一种更稳定的形式。

就像人类与浪漫作斗争一样，原子核也在不断地寻求稳定，并能通过放射性衰变的过程达到这一目的。如果一个原子核内有太多的能量不能保持在一起，那么原子核就会分解，至少失去一些使它不稳定的部分（核子）。最初的不稳定核称为“母核”，而结果更稳定的核称为“子核”。这些“子核”可能仍然具有放射性（不稳定），尽管比以前更加稳定，因此可能会进一步衰变。核子较多的较大元素，即原子序数在83以上的元素，其原子核不稳定，因此具有放射性。然而，这种放射性的强度可能变化很大。

例如，钋（Po-210）是一种稀有的高挥发性放射性同位素，没有稳定的同位素。它在阿尔法（α）衰变过程中释放出一种难以置信的高能形式的辐射，会发出蓝色的光！使它成为最具放射性的元素之一。但它的衰变相对较快，半衰期只有140天，分解成铅（Pb-206）作为衰变产物。

α衰变

在α衰变的情况下，原子核将通过发射α粒子（两个质子和两个中子，本质上是氦原子）来寻求稳定性。这种衰变后原子序数将减少2。铀-238是自然界中最常见的铀同位素，虽然它的半衰期为45亿年，但当原子核破裂时，它会释放出一个α粒子，成为钍-234。α粒子无法穿透许多物质（而且可以被一张纸挡住！），但是它们仍然以很快的速度释放，对活细胞来说是危险的，因为它们可以把附近原子的电子击落。因此，α粒子在被摄入或引入人体时是危险的，但通常被认为对人体无害，因为它们甚至不能穿透人的衣服！

β衰变

当β衰变发生时，β粒子（电子）流将从原子核中喷射出来，导致其中一个中子转变为质子（β衰变），或者质子转变为中子（β 衰变）。尽管原子质量将保持不变，原子序数将增加或减少1。β衰变的一个常见例子是锶-90原子分解成钇-90同位素，在β衰变过程中释放电子。β粒子大约比α粒子小8000倍，因此被认为更危险，因为它可以穿透衣服和皮肤，不像α粒子，尽管它通常被墙挡住，发射时只会移动几几米。

γ(伽马)衰变

前两种衰变形式发射氦原子和电子/正电子，而伽马衰变导致高能光子的发射，使原子核在不改变原子序数或质量序数的情况下达到更稳定的形式。这是最危险的辐射形式，因为辐射没有质量，几乎可以通过任何物质。需要几厘米厚的铅板或几米厚的水泥强才能有效地阻挡这些“伽马射线”，伽马射线会毫不犹豫地直接通过身体，从骨髓到最敏感器官的组织都会受到影响。伽马射线本质上是一种光，一种产生于爆炸的恒星和其他核反应的强大电磁辐射。

既然你已经了解了放射性衰变，半衰期的概念就变得更容易构思了。随着放射性同位素通过α、β和γ衰变分解成更稳定的形式，原始“母体”物质的数量减少。现在，由于原子非常小而且不可预测，无法准确地判断某个原子核何时会发生放射性衰变。但是，当大量考虑（数百万，数十亿或数万亿个单个原子）时，可以测量放射性衰变的统计可能性。

单个原子的量子行为是不可能被评估的，但是一大群原子的行为受概率影响，因此具有可靠的统计确定性水平。在核物理中，半衰期是一个有用的测量棒，用来测量放射性同位素衰变的速度，或者稳定同位素保持完整的时间。用一个例子来理解半衰期也许更最容易。让我们考虑一下放射性同位素镍-63的半衰期，它通过β衰变分解为铜-63。

镍-63的半衰期为100年，所以让我们考虑一个由1000000个原子组成的放射性元素样本。100年后，大约50万个原子将分解成铜-63，这是一种稳定的同位素，不再发出辐射或进一步衰变，而50万个放射性镍-63原子将继续存在。让我们进一步推断：

• 100年–500000个镍-63原子
• 200年–250000个镍-63原子
• 300年–125000个镍-63原子
• 400年–62500个镍-63原子
• 500年–31250个镍-63原子
• 600年-15625个镍-63原子

当一种放射性同位素分解成一种稳定的“子”物质同位素时，它不会进一步衰变或释放更多的辐射。因此，随着时间的推移，同样的放射性物质将变得不那么危险，因为它不会释放出那么多的α、β或γ粒子。在10个半衰期后，样品中的放射性将少于原始放射性的千分之一，通常被认为是完全无害的。

每种物质的放射性分解速率保持不变，但每种同位素的半衰期不同，从氢-7（1个质子和6个中子），半衰期为2.3×10^(-23)秒，一直到碲-128（52个质子和76个中子），它的半衰期为2.2×10^24年，是宇宙年龄的150万亿倍！

当你开始在原子或量子尺度上观察事物时，要精确地描述单个原子就变得困难得多。当观察铀-235的单个原子时，不可能知道它何时或是否会发生放射性衰变，成为钍-231的单个原子。然而，当观察到100万个铀235原子时，准确的统计概率是，一半的原子在7.03亿年内会发生α衰变！

虽然半衰期通常与核物理有关，但它在医学技术中也是一个适用和有用的概念，例如在某些药物的药代动力学中，以及在植物中使用杀虫剂和恐龙化石的放射性碳定年中！半衰期计算是理解不可预测的量子领域的一种方法，能够评估放射性物质对环境和地球生命的长期影响！