想知道,如果衰減是隨機的,為什麼活性每隔半衰期就會減少一半,為什麼它必須在同一時間段內按相同的比例減少?
想知道,如果衰減是隨機的,為什麼活性每隔半衰期就會減少一半,為什麼它必須在同一時間段內按相同的比例減少?
可能有幫助的示例:
從一大堆硬幣開始。翻轉他們。移去頭。剩下大約一半。
取其餘部分並將其翻轉。移去頭。剩下大約一半。
取其餘部分並將其翻轉。移去頭。剩下大約一半。
打個比方:一個原子在某個特定間隔 $ T_ {1/2} $ span>內有50%的機會衰減。在每個間隔之後,剩下一半。
在這種情況下,隨機一詞並不完全意味著沒有秩序。
它的意思是,儘管特定的不穩定核在指定的時間間隔內有潛在的衰變可能性,但當一個特定的不穩定核將衰變時,就無法預測exactly。
半衰期通常用於特定種類的不穩定核的時間間隔。
$ \ frac 12 $ span>。
如果不穩定核在該時間間隔內未衰減,則在相同長度的下一個時間間隔內它將衰變的概率仍然是 $ \ frac 12 $ span>。 。 。等等
您會注意到,這類似於硬幣的拋擲,有兩個結果 head 和 tails ,每個結果的概率為 $ \ frac 12 $ span>。
但是,也許可以看到對拋硬幣的隨機性的理解是,儘管拋頭的概率為 $ \ frac 12 $ span>,然後如果有人將硬幣扔 $ 100 $ span>倍,則 $ 0.07959 $ span>的概率很低正好 $ 50 $ span>頭和 $ 50 $ span>尾。
因此,您得到的是許多可能的結果,正面數+反面數 $ = 100 $ span>,您可以預測它們發生的可能性,但不能可以肯定地說,概率 $ = 1 $ span>,其中哪些結果會實際發生。
在放射性衰變的背景下,平均一半的不穩定核樣品將在一半的壽命中衰變,然後平均剩餘的不穩定核的一半將在下一個一半壽命的間隔中衰變,等等。
使用數十億個不穩定核的樣本,關於“一半將在一半壽命的時間間隔內衰減”的統計波動將很小。
隨著不穩定核數目的減少,大約一半的統計波動將變大。
只需考慮一下您將對半衰期為 $ 3 $ span>的不穩定核的衰變做出什麼樣的預測。儘管發生的可能性很小,但是它們不可能在十個半衰期中全部衰減。
您問的是錯誤的問題。 沒有神奇的概念可以衰減一半。這就是為什麼“半衰期”變化如此之大的原因。 “半衰期”只是選擇的測量方法。 您的問題類似於詢問“為什麼所有汽車都按小時遞增?”只是因為我們以km / h為單位測量速度。
隱含的概念是使用半衰期,即在給定足夠大的樣本(1 mol = 6 E23)的情況下,衰減率足夠接近常數。即:如果說在任何一秒鐘內,對於任何原子,衰變的“機會”都是X%,那麼在如此巨大的樣本上,X將呈現為常數。例如,如果我們說進行心臟直視手術的人有0.1%的機率在桌子上死亡,那麼我們不希望這在一個小樣本上是準確的。我們不能說“今天我們只有十個人在進行手術,所以我很安全。”但是,在超過數万億的此類操作中,我們希望0.1%的結果成立。
總而言之,半衰期只是呈現恆定衰減率的另一種方式。 (請記住,恆定的衰減率會隨著未衰減物質的減少而逐漸減小衰減。)
這是以下事實的結果:原子核不知道您的物質塊中還有多少其他原子核。 3千克鈾塊必須以與三個1千克鈾塊相同的速率腐爛。這意味著1kg的塊必須以該速率的1/3衰減。 1kg的塊等於3 1 / 3kg的塊,因此1 / 3kg的塊也必須以 速率的1/3衰減。
現在假設您有一塊3千克的鈾(或其他任何鈾),並且要花一年的時間才能分解成1千克的任何鈾(以及2千克其他物質)-假設您有一個系統可以將其除去我們只是在這裡談論鈾)。由於您的體重為1kg,因此衰減速度必須是開始時的1/3。從1kg塊中衰減2 / 3kg和從3kg塊中衰減2kg花費相同的時間。這意味著一年後,您只剩下1/3公斤了。從1 / 3kg塊中衰減2 / 9kg與從1kg塊中衰減2 / 3kg花費相同的時間。因此,再過一年,您只剩下1/9公斤了。依此類推。
我們說,任何鋁的第三壽命為一年。
我們可以用數學推斷。我們知道它的第九壽命(1/3平方)為兩年。我們知道它具有半年的57.3%壽命(平方根為1/3)。我們知道它的半衰期為0.63092975357年(您需要使用對數來計算)。
因為方便,所以我們以半衰期來衡量事物。我們同樣可以很好地利用第三生命,四分之一生命,第五生命或三分之二生命。
上面的幾個答案很奏效。這是一個稍微不同的觀點。
從視覺角度考慮點畫。如果您近距離觀察任何單個點,則繪畫毫無意義。退後一步,秩序就位。
“隨機”一詞並不意味著沒有秩序。這意味著,到目前為止,我們對這一特定觀點所知不清,無法及時預測其功能。
您可能將放射性衰變視為隨機過程。半衰期趨於某個恆定值。這是因為有大量的原子。這不僅適用於半衰期,而且適用於任何比率期。
請考慮以下示例:
我們定義 $ T_ {1/10} $ span>:放射性物質剩餘1/10的放射性同位素的時間。
N的原子初始數量= 10個原子
在完成第一個 $ T_ {1/10} $ span>之後,未衰變原子的周期數為 $ X $ ,它將遵循二項式分佈 $ Binom(N,p)$ span>。
$ X \ sim Binom(10,0.1)$ span>和P(X) $ X $ $ X $ span>剩餘的/ span>原子。
X P(X) 0 0.3486784401 1 0.3874204890 2 0.1937102445 3 0.0573956280 4 0.0111602610 5 0.0014880348 6 0.0001377810 7 0.0000087480 8 0.0000003645 9 0.0000000090 10 0.0000000001
剩餘原子數的期望值(均值)為1。如果我們要以99%的置信度估計剩餘的原子數,則值將為0至4個原子,即 $ P(0 \ le X \ le 3)$ span>。這些值為(-100%至300%)與平均值的偏差。 這意味著剩餘質量可能會比預期值波動-100%至300%。
如果N = 1000原子, 預期剩餘原子數= 100 從75到125的可能剩餘原子的概率為 $ P(75 \ le X \ le 125)= 0.9928133 $ span>與期望值 $ \ pm 25 \%$ span>
如果N = 10000原子, 預期剩餘原子數= 1000 可能產生與上述類似作用的剩餘原子是920至1080,概率為 $ P(920 \ le X \ le 1080)= 0.9928133 $ span>與期望值有偏差 $ \ pm 8 \%$ span>
如果N = 100000原子, 預期剩餘原子數= 10000 可能產生與上述類似效果的剩餘原子是從9745到10255,概率為 $ P(920 \ le X \ le 1080)= 0.9929232 $ span>與期望值有偏差 $ \ pm 2.55 \%$ span>
在這裡您可以觀察到隨著原子初始數量增加,偏差減小的程度。這個偏差也等於質量期望值的偏差。
在較大的尺度上,N的值非常高,每摩爾的量為 $ 6.022×10 ^ {23} $ span>。 因此,並非每次都有相同比例的衰變,而是在大量放射性原子參與下,該比例值飽和到一個固定值。