Puoliintumisaika
Järjestelmän ulkopuolinen suure · ilmaistaan SI-sekunteina · nuklidin ominaisuus
Vuonna 1900 Ernest Rutherford huomasi, että toriumin säteily heikkeni ajan myötä ja, mikä painaa enemmän, ettei se heikentynyt umpimähkään vaan täysin säännöllisesti: joka minuutti se menetti saman osan entisestä voimastaan. Näin löytyi suure, joka ei riipu lämpötilasta, paineesta eikä aineen kemiallisesta tilasta — aika, jossa puolet ytimistä hajoaa.
Sen erikoisuus on siinä, että se koskee joukkoa eikä yksittäistä ydintä: yhdellä atomilla ei ole ikää eikä määräaikaa, eikä sitä, hajoaako se seuraavalla sekunnilla vai makaako vielä miljoona vuotta, voi ennustaa edes periaatteessa. Ytimiä on kuitenkin tavallisesti paljon — grammassa suuruusluokkaa kymmenen potenssiin kaksikymmentäyksi — ja tuollaisen joukon yli sattumasta tulee tarkka laki.
01 · Määritelmä
Puoliintumisaika on se aika, jossa tietyn nuklidin ytimien määrä vähenee puoleen. Se on yksiselitteisesti sidoksissa hajoamisvakioon, joka antaa todennäköisyyden ytimen hajoamiselle aikayksikössä, ja keskimääräiseen elinaikaan, joka on noin puolet pidempi kuin puoliintumisaika.
Eksponenttilaki seuraa yhdestä ainoasta oletuksesta: todennäköisyys ytimen hajoamiselle ei riipu siitä, kauanko se on jo elänyt. Ydin ei vanhene, ei kulu eikä lähesty mitään määräaikaa — joka hetki se on yhtä valmis hajoamaan kuin syntymänsä hetkellä, ja siksi eloonjääneiden osuus laskee samalla kertoimella yhtä pitkillä aikaväleillä.
Tämän suureen omalaatuinen järkkymättömyys johtuu siitä, että hajoaminen tapahtuu ytimen sisällä, minne kemia ei ylety. Lämpö, paine, magneettikenttä ja yhdisteen laatu eivät vaikuta puoliintumisaikaan, ja vain harvoissa tapauksissa, kun ydintä lähimmän kuoren elektronit osallistuvat hajoamiseen, sitä saadaan siirrettyä prosentin murto-osilla.
Arvojen väli on valtava kuten ei millään muulla luettelon suureella: kymmenen potenssiin miinus kaksikymmentäkaksi sekuntia ytimillä, jotka hajoavat ennen kuin nukleonit ehtivät kiertää ytimen, aina yli kahteen kvadriljoonaan vuoteen telluuri-128:lla, jonka puoliintumisaika ylittää maailmankaikkeuden iän satatuhatta miljardia kertaa. Ja kaikki tämä tottelee yhtä ja samaa puolikkaiden lakia.
Vie aikaa liukusäätimellä — se lasketaan puoliintumisaikoina, jotka ovat samat kaikille neljälle nuklidille, kun taas tekstit muuttavat ne todellisiksi tunneiksi, vuosiksi tai vuosituhansiksi. Oranssi käyrä näyttää eloonjääneiden ytimien osuuden, siniset portaat merkitsevät puolikkaan, neljänneksen ja kahdeksasosan, ja palkki oikealla on se, mitä sadasta alkuperäisestä atomista on jäljellä.
Puoliintumisaika on joukon eikä yksittäisen atomin ominaisuus: ydin ei vanhene ja sillä on joka hetki sama todennäköisyys hajota kuin olemassaolonsa ensimmäisellä sekunnilla. Siksi yhdestä atomista ei voi sanoa mitään täsmällisempää kuin todennäköisyyden, kun taas miljardista voi sanoa lähes kaiken, ja ennusteen hajonta pienenee niiden määrän neliöjuuren mukaan.
02 · Muunnos
Puoliintumisaika, vakio, aktiivisuus
Syötä puoliintumisaika millä yksiköillä tahansa, niin lehti muuntaa sen muihin, antaa hajoamisvakion ja keskimääräisen elinajan ja näyttää sitten, minkä aktiivisuuden gramma puhdasta nuklidia tuottaa ja kuinka paljon siitä on jäljellä annetun määräajan kuluttua.
Ominaisaktiivisuuden laskentaan käytettävä massaluku otetaan vuorovaikutteisessa osassa valitusta nuklidista; lehden hienommissa asetuksissa voi siirtyä oletettuun sataan.
Lyhyt puoliintumisaika tarkoittaa suurta aktiivisuutta eikä vaarattomuutta: mitä nopeammin nuklidi hajoaa, sitä enemmän hajoamisia osuu sekuntiin, ja gramma teknetium-99m:ää loistaa kymmeniä miljoonia kertoja kirkkaammin kuin gramma uraania. Vaaraa ei siis aseta puoliintumisaika yksin, vaan sen kanssa säteilyn laji, se mihin nuklidi asettuu, ja tie, jota se pääsee elimistöön.
| Arvo | Huomautus | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Suuruusluokat
logaritminen asteikko: viisikymmentäneljä kymmenpotenssia04 · Mittalaitteet
Millä mitataan se, mitä ei ehdi odottaa
Yksinkertaisin tapa mitata puoliintumisaika on laskea naksahdukset ja katsoa, kuinka niiden tahti laskee ajan myötä. Se kelpaa nuklideille, jotka elävät minuuteista muutamiin vuosiin: lyhyemmällä määräajalla laskenta ei ehdi kertyä, pidemmällä väheneminen hukkuu lukemien väistämättömään hajontaan.
Germaniumista tehty puolijohdeilmaisin erottaa kvanttien energiat prosentin tuhannesosien tarkkuudella ja sallii siten seurata yhtä nuklidia tusinan muun seoksessa. Itse spektriviivan leveys puolestaan paljastaa niiden tilojen puoliintumisajan, jotka elävät nanosekuntia lyhyemmän ajan: mitä lyhyempi elämä, sitä leveämpi taso.
Pitkäikäisillä nuklideilla hajoamisten odottaminen on turhaa, ja siksi atomit lasketaan yksi kerrallaan lajitellen ne massan mukaan magneettikentässä. Radiohiiliajoitus nojaa juuri tähän: näytteestä ei etsitä säteilyä vaan itse hiili-14:n ytimiä, joita on yksi tuhatta miljardia tavallista kohti.
Triljoonien vuosien puoliintumisaikoja mitataan ottamalla tonneja ainetta ja odottamalla vuosi: muutama hajoaminen tapahtuu sittenkin. Erottaakseen ne laitteisto kätketään kilometrin kallion alle, ympäröidään vanhalla lyijyllä, joka on nostettu uponneista laivoista, ja lasketaan tapahtumia, joita on pari kuukaudessa.
05 · Kirjoitussäännöt
Nuklidi edellä, yksikkö perässä
Merkintä kirjoitetaan isolla latinalaisella kirjaimella ja alaindeksillä «yksi kahdesosa», ja massaluku sijoitetaan alkuaineen merkin vasempaan yläkulmaan tai sen nimen perään yhdysmerkillä. Yksikkö ilmoitetaan aina ja valitaan kooltaan kätevä; puoliintumisajan sekoittaminen keskimääräiseen elinaikaan ei ole sallittua — ne eroavat kertoimella 1,443.
Ensimmäinen kirjoitustapa ei kelpaa kahdesti: uraanilla on useita isotooppeja eri puoliintumisajoin, ja yksikkö on jätetty pois. Toinen rinnastaa puoliintumisajan keskimääräiseen elinaikaan, vaikka jälkimmäinen on 1,443 kertaa pidempi. Kolmas olettaa loppuunkulumisen, jota eksponentti ei salli: kahden puoliintumisajan jälkeen jäljellä on neljännes. Neljäs lukee yhdelle atomille määräajan, jota sillä ei ole.
06 · Naapuriyksiköt
Puoliintumisaika on samassa rivissä niiden suureiden kanssa, jotka kuvaavat samaa hajoamista muilta puolilta: becquereleinä mitatun aktiivisuuden, käänteisen ajan ulottuvuutta olevan hajoamisvakion ja keskimääräisen elinajan. Riittää tuntea mikä tahansa niistä — loput seuraavat kertoimella.
hajoamista sekunnissa
käänteiset sekunnit
pidempi kertoimella 1,443
Simetriumin korteista vieressä ovat becquerel ja curie, joilla mitataan itse aktiivisuutta, gray ja sievert absorboituneelle ja ekvivalenttiannokselle, barn ydinten vaikutusaloista ja sekunti, jona puoliintumisaika lopulta ilmaistaan.
07 · Historiallinen osa
Kello, jota ei voi vetää eikä pysäyttää
Rutherford havaitsi, että toriumin luovuttaman kaasun säteily laskee samalla kertoimella yhtä pitkillä väleillä, ja otti käyttöön suureen, jota hän aluksi kutsui puolimuuntumisen ajaksi. Tämä oli luonnossa ensimmäinen tapahtumakulku, jonka nopeutta ei voinut muuttaa yhtikäs millään.
Kelvin johti maapallon jäähtymisestä kahdenkymmenen ja neljänkymmenen miljoonan vuoden iän, ja geologeilta tuo määräaika oli epätoivoisen lyhyt. Uraanimineraaleihin kertynyt lyijy antoi heti miljardeja — ja selitti samalla, miksi Kelvinin lasku oli tuomittu: hän ei tiennyt, että syvyys lämpiää omasta hajoamisestaan.
Willard Libby oivalsi, että elävä olento vaihtaa jatkuvasti hiiltä ympäristönsä kanssa ja että kuoleman jälkeen vaihto lakkaa ja kello lähtee käymään. Menetelmä läpäisi ensimmäisen kokeensa egyptiläisestä haudasta saadulla puulla, jonka ikä tunnettiin piirtokirjoituksista, ja poikkesi siitä vain puolentoista vuosisadan verran.
Käytetyn polttoaineen loppusijoitustilat suunnitellaan niiden sisältämien nuklidien puoliintumisaikojen mukaan, ja määräajat tulevat sellaisiksi, että tehtävä ylittää insinööritaidon: kuinka jättää varoitus ihmisille, joiden kieltä ei vielä ole olemassa. Suomalainen Onkalo on laskettu satatuhatta vuotta kestäväksi — kymmenen kertaa pidemmäksi kuin koko kirjoitettu historia.
Ainoa kello, jota ei voi säätää
Minkä tahansa ajanmittausvälineen voi saada pois toimintakunnosta: heiluri lyödään tahdistaan töytäisyllä, kvartsi ajelehtii lämmössä, jopa atomikelloja on korjattava painovoiman vuoksi. Radioaktiivinen hajoaminen seisoo tässä rivissä erillään, sillä se tapahtuu ytimen sisällä, minne eivät ylety lämpötila, paine eivätkä kemialliset sidokset.
Tällaisella riippumattomuudella on myös kääntöpuolensa, ja ikävä. Koska tapahtumaa ei voi jouduttaa, jätteitä on periaatteessa mahdotonta tehdä vaarattomiksi: niitä voi vain odottaa loppuun, ja odotukset ylittävät jokaisen valtion ja jokaisen kielen eliniän. Yksikkö, joka laboratoriossa näyttää mukavuudelta, muuttuu loppusijoitustilan mittakaavassa esteeksi, jonka kanssa ei voi väitellä.
Luettelo · mittayksiköt
Kortti jokaiselle suureelle
Seitsemän SI-perusyksikköä, kaksikymmentäkaksi johdettua omine nimineen ja järjestelmän ulkopuolisia suureita, joita ilman ei toimisi tekniikka eikä kalenteri.