題:
為什麼每個時間段內相同比例的放射性物質會衰減? (半衰期)
Saharsh Aanand
2020-02-17 00:38:52 UTC
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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?

此處的前兩段可能會有所幫助:https://en.wikipedia.org/wiki/Poisson_distribution
相關:https://physics.stackexchange.com/q/102222/2451及其鏈接。
RE:OP提到“比例相同”-嗯,*比例*並不完全相同。如果您以十億個放射性原子開始,那麼在半衰期之後,大約剩下*一半。*準確地*保留一半的可能性很小。如果多次重複實驗,您會發現大約有原始原子數的1/2分佈。
實際上,半衰期代表相同比例的物質,因為放射性崩解遵循一級動力學。換句話說,半衰期與物質的初始濃度無關。
你的前提是錯誤的。衰減是指數的,不是隨機的。
@user207421物質總量的衰減恰恰是指數式的,因為各個原子的衰減是隨機的。
六 答案:
Bob Jacobsen
2020-02-17 00:47:13 UTC
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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。

謝謝!現在看來如此簡單,您已經對其進行了解釋。
您描述的“規則”(@Saharsh)僅適用於大量數字。但是原子是如此之小,以至於微觀的原子量都包含數十億個原子。
@Saharsh我聽說過這個演示是在大學禮堂進行的,有成百上千的學生扮演著放射性原子的角色。每個學生都有自己的手錶,但是手錶不是“同步”的。他們每分鐘擲一枚硬幣。抬頭的人離開大廳,其他人呆在後面,然後在第二分鐘再次翻轉硬幣。這是演示半衰期工作原理的簡單但有效的方法。
@PM 2Ring:很難想像在實踐中,至少在美國,因為很多人不戴手錶。也許我們是穩定同位素?
@jamesqf我是在一段時間之前讀到的,當時智能手機還沒有普及,而手錶更普遍。:)我想這些天您可以使用手機上的秒錶應用程序與每個人一起做。
智能手機時鐘已同步。
@user253751確實如此,我們在本演示中不希望這樣做,這就是為什麼我建議使用秒錶應用程序的原因。每個人都在(相對)隨機的時間啟動秒錶。
Farcher
2020-02-17 01:54:00 UTC
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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 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。

第一部分...“隨機”的確切含義是-我們不能說單個原子是否會“現在”衰減-“在5年內”-“在x秒內”-那是隨機部分...。半衰期只是統計
@eagle275我在第二句話中添加了一個單詞。
3核肯定不會衰減到1.5核:)
@eagle275當然不是,這就是為什麼選擇一個奇數來表示在半衰期後可能還剩下1或2或3,甚至沒有剩餘的不穩定核。
然後您要涉及量子力學-也就是說,只要您以非常高的準確性觀察原子,它極有可能不會衰減-jk
Floyd
2020-02-18 10:20:34 UTC
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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。)

恆定的衰減率意味著$ \ dot N = -k $對於某個恆定的$ k $。因此,$ N(t)= N_0-kt $。這不是放射性衰變的樣子。我認為您的意思是每個分子的衰減率恆定
我真的不明白這個答案會帶來什麼負面影響,它解釋了其他答案無法解決的問題的一個方面。拒絕投票的人還應該添加評論以解釋他們的觀點。+1
@WhiteMaple我也沒有。表示同情。可能不是最佳答案,但這不是“錯誤”答案。
user253751
2020-02-20 00:53:09 UTC
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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。

John Read
2020-02-21 22:25:33 UTC
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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。

addy
2020-03-06 04:57:04 UTC
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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。



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