當人們聽到“半衰期”這個詞時，了解核能、核武器、或核廢料的人都會意識到它與放射性元素有關。半衰期是每一種不同物質的固定常數，專家利用該固定常數能夠準確預測物質的壽命。

對于放射性物質，半衰期可以確定放射性物質不再構成威脅所需的時間; 對于其他物質(例如碳14)，半衰期可以幫助進行放射性測年(碳測年)，從而確定古代遺骸的大致年齡!對于不熟悉核化學的人來說，這似乎有些復雜，但它是一個有用且用途廣泛的概念。

什么是放射性衰變?

正如你可能知道的，原子元素可以有不同的同位素，這是一個元素的不同版本，有相同數量的質子，但核內包含不同數量的中子。因此，這些同位素的原子質量會不同，它們的一些物理性質也會不同，但它們的化學性質通常是相同的。每一種化學元素都有一種或多種同位素，有些是穩定的，有些是不穩定的。當把質子和中子結合在一起的力大于試圖把它們分開的力(強原子力與靜電斥力)時，原子核被認為是穩定的。

最簡單的例子是氫，它有兩個穩定的同位素：質子(1個質子)和氘(稱為“重氫”，有1個質子和1個中子)。然而，氫還有一種不穩定的天然同位素氚，它有1個質子和2個中子。這種放射性同位素的不穩定性意味著它想分解成另一種更穩定的形式。

就像人類與浪漫作斗爭一樣，原子核也在不斷地尋求穩定，并能通過放射性衰變的過程達到這一目的。如果一個原子核內有太多的能量不能保持在一起，那么原子核就會分解，至少失去一些使它不穩定的部分(核子)。最初的不穩定核稱為“母核”，而結果更穩定的核稱為“子核”。這些“子核”可能仍然具有放射性(不穩定)，盡管比以前更加穩定，因此可能會進一步衰變。核子較多的較大元素，即原子序數在83以上的元素，其原子核不穩定，因此具有放射性。然而，這種放射性的強度可能變化很大。

例如，釙(Po-210)是一種稀有的高揮發性放射性同位素，沒有穩定的同位素。它在阿爾法(α)衰變過程中釋放出一種難以置信的高能形式的輻射，會發出藍色的光!使它成為最具放射性的元素之一。但它的衰變相對較快，半衰期只有140天，分解成鉛(Pb-206)作為衰變產物。

根據在原子核中發現的不穩定性，有三種類型的放射性衰變。

α衰變

在α衰變的情況下，原子核將通過發射α粒子(兩個質子和兩個中子，本質上是氦原子)來尋求穩定性。這種衰變后原子序數將減少2。鈾-238是自然界中最常見的鈾同位素，雖然它的半衰期為45億年，但當原子核破裂時，它會釋放出一個α粒子，成為釷-234。α粒子無法穿透許多物質(而且可以被一張紙擋住!)，但是它們仍然以很快的速度釋放，對活細胞來說是危險的，因為它們可以把附近原子的電子擊落。因此，α粒子在被攝入或引入人體時是危險的，但通常被認為對人體無害，因為它們甚至不能穿透人的衣服!

β衰變

當β衰變發生時，β粒子(電子)流將從原子核中噴射出來，導致其中一個中子轉變為質子(β衰變)，或者質子轉變為中子(β+衰變)。盡管原子質量將保持不變，原子序數將增加或減少1。β衰變的一個常見例子是鍶-90原子分解成釔-90同位素，在β衰變過程中釋放電子。β粒子大約比α粒子小8000倍，因此被認為更危險，因為它可以穿透衣服和皮膚，不像α粒子，盡管它通常被墻擋住，發射時只會移動幾幾米。

γ(伽馬)衰變

前兩種衰變形式發射氦原子和電子/正電子，而伽馬衰變導致高能光子的發射，使原子核在不改變原子序數或質量序數的情況下達到更穩定的形式。這是最危險的輻射形式，因為輻射沒有質量，幾乎可以通過任何物質。需要幾厘米厚的鉛板或幾米厚的水泥強才能有效地阻擋這些“伽馬射線”，伽馬射線會毫不猶豫地直接通過身體，從骨髓到最敏感器官的組織都會受到影響。伽馬射線本質上是一種光，一種產生于爆炸的恒星和其他核反應的強大電磁輻射。

什么是半衰期?

既然你已經了解了放射性衰變，半衰期的概念就變得更容易構思了。隨著放射性同位素通過α、β和γ衰變分解成更穩定的形式，原始“母體”物質的數量減少。現在，由于原子非常小而且不可預測，無法準確地判斷某個原子核何時會發生放射性衰變。但是，當大量考慮(數百萬，數十億或數萬億個單個原子)時，可以測量放射性衰變的統計可能性。

單個原子的量子行為是不可能被評估的，但是一大群原子的行為受概率影響，因此具有可靠的統計確定性水平。在核物理中，半衰期是一個有用的測量棒，用來測量放射性同位素衰變的速度，或者穩定同位素保持完整的時間。用一個例子來理解半衰期也許更最容易。讓我們考慮一下放射性同位素鎳-63的半衰期，它通過β衰變分解為銅-63。

鎳-63的半衰期為100年，所以讓我們考慮一個由1000000個原子組成的放射性元素樣本。100年后，大約50萬個原子將分解成銅-63，這是一種穩定的同位素，不再發出輻射或進一步衰變，而50萬個放射性鎳-63原子將繼續存在。讓我們進一步推斷：

100年–500000個鎳-63原子

200年–250000個鎳-63原子

300年–125000個鎳-63原子

400年–62500個鎳-63原子

500年–31250個鎳-63原子

600年-15625個鎳-63原子

當一種放射性同位素分解成一種穩定的“子”物質同位素時，它不會進一步衰變或釋放更多的輻射。因此，隨著時間的推移，同樣的放射性物質將變得不那么危險，因為它不會釋放出那么多的α、β或γ粒子。在10個半衰期后，樣品中的放射性將少于原始放射性的千分之一，通常被認為是完全無害的。

每種物質的放射性分解速率保持不變，但每種同位素的半衰期不同，從氫-7(1個質子和6個中子)，半衰期為2.3×10^(-23)秒，一直到碲-128(52個質子和76個中子)，它的半衰期為2.2×10^24年，是宇宙年齡的150萬億倍!

當你開始在原子或量子尺度上觀察事物時，要精確地描述單個原子就變得困難得多。當觀察鈾-235的單個原子時，不可能知道它何時或是否會發生放射性衰變，成為釷-231的單個原子。然而，當觀察到100萬個鈾235原子時，準確的統計概率是，一半的原子在7.03億年內會發生α衰變!

雖然半衰期通常與核物理有關，但它在醫學技術中也是一個適用和有用的概念，例如在某些藥物的藥代動力學中，以及在植物中使用殺蟲劑和恐龍化石的放射性碳定年中!半衰期計算是理解不可預測的量子領域的一種方法，能夠評估放射性物質對環境和地球生命的長期影響!