ครึ่งชีวิต
ปริมาณนอกระบบ · แสดงเป็นวินาที SI · สมบัติของนิวไคลด์
ในปี 1900 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดสังเกตว่ารังสีของทอเรียมอ่อนลงตามเวลา และที่สำคัญกว่านั้น มันไม่ได้อ่อนลงอย่างสุ่มสี่สุ่มห้า หากอ่อนลงอย่างมีระเบียบโดยสิ้นเชิง: ทุกนาทีมันสูญเสียส่วนเท่ากันของกำลังเดิม เช่นนี้เองจึงพบปริมาณที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ไม่ขึ้นกับความดัน และไม่ขึ้นกับสถานะทางเคมีของสาร — เวลาที่นิวเคลียสครึ่งหนึ่งสลายไป
ความแปลกของมันอยู่ตรงที่มันเป็นเรื่องของหมู่มาก ไม่ใช่ของนิวเคลียสเดียว: อะตอมโดดเดี่ยวไม่มีทั้งอายุและกำหนดเวลา และมันจะสลายในวินาทีถัดไปหรือจะนอนอยู่อีกล้านปี ก็ทำนายไม่ได้แม้โดยหลักการ ทว่านิวเคลียสนั้นตามปกติมีมาก — ในหนึ่งกรัมมีราวสิบยกกำลังยี่สิบเอ็ด — และเหนือฝูงเช่นนั้นความบังเอิญกลายเป็นกฎอันเที่ยงตรง
01 · นิยาม
ครึ่งชีวิตคือเวลาที่จำนวนนิวเคลียสของนิวไคลด์หนึ่ง ๆ ลดลงเหลือครึ่ง มันผูกอยู่กับค่าคงตัวการสลายอย่างไม่กำกวม ซึ่งค่านั้นให้ความน่าจะเป็นที่นิวเคลียสหนึ่งจะสลายในหนึ่งหน่วยเวลา และผูกอยู่กับอายุเฉลี่ย ซึ่งยาวกว่าครึ่งชีวิตราวครึ่งหนึ่ง
กฎเลขชี้กำลังสืบมาจากข้อสมมติเพียงข้อเดียว: ความน่าจะเป็นที่นิวเคลียสจะสลายไม่ขึ้นกับว่ามันอยู่มานานเท่าใดแล้ว นิวเคลียสไม่แก่ ไม่สึกหรอ และไม่เข้าใกล้กำหนดเวลาใด ๆ — ทุกขณะมันพร้อมจะสลายเท่ากับขณะที่มันเกิด และด้วยเหตุนี้สัดส่วนของผู้รอดจึงลดลงด้วยตัวคูณเดียวกันบนช่วงเวลาที่เท่ากัน
ความมั่นคงอันแปลกประหลาดของปริมาณนี้มาจากการที่การสลายเกิดขึ้นภายในนิวเคลียส ที่ซึ่งเคมีเอื้อมไม่ถึง ความร้อน ความดัน สนามแม่เหล็ก และชนิดของสารประกอบไม่มีผลต่อครึ่งชีวิต และเพียงในกรณีที่หายาก เมื่ออิเล็กตรอนของชั้นที่ใกล้นิวเคลียสที่สุดเข้าร่วมในการสลาย จึงพอจะขยับมันได้เพียงเศษของหนึ่งเปอร์เซ็นต์
ช่วงของค่ากว้างใหญ่อย่างที่ไม่มีปริมาณใดในสารบบนี้เทียบได้: ตั้งแต่สิบยกกำลังลบยี่สิบสองวินาทีในนิวเคลียสที่แตกสลายก่อนที่นิวคลีออนจะวิ่งรอบนิวเคลียสได้ครบ ไปจนถึงกว่าสองล้านล้านล้านล้านปีในเทลลูเรียม-128 ซึ่งครึ่งชีวิตของมันเกินอายุเอกภพไปแสนล้านล้านเท่า และทั้งหมดนี้ล้วนเชื่อฟังกฎแห่งครึ่งอันเดียวกัน
เลื่อนเวลาด้วยตัวเลื่อน — เวลาถูกนับเป็นครึ่งชีวิต เท่ากันทั้งสี่นิวไคลด์ ในขณะที่คำบรรยายแปลงมันเป็นชั่วโมง ปี หรือสหัสวรรษที่เป็นจริง เส้นโค้งสีส้มแสดงสัดส่วนของนิวเคลียสที่เหลือรอด ขั้นบันไดสีน้ำเงินทำเครื่องหมายครึ่ง หนึ่งในสี่ และหนึ่งในแปด ส่วนแท่งทางขวาคือสิ่งที่เหลือจากอะตอมร้อยตัวแรก
ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติของหมู่มาก ไม่ใช่ของอะตอมเดียว: นิวเคลียสไม่แก่ และในทุกขณะมันมีความน่าจะเป็นที่จะสลายเท่ากับในวินาทีแรกของการมีอยู่ ด้วยเหตุนี้เกี่ยวกับอะตอมเดียวจึงพูดอะไรได้ไม่แน่ชัดไปกว่าความน่าจะเป็น แต่เกี่ยวกับพันล้านอะตอมกลับพูดได้แทบทุกอย่าง และการกระจายของคำทำนายลดลงดั่งรากที่สองของจำนวนพวกมัน
02 · การแปลงหน่วย
ครึ่งชีวิต ค่าคงตัว กัมมันตภาพ
ใส่ครึ่งชีวิตในหน่วยใดก็ได้ แล้วบัตรจะแปลงมันเป็นหน่วยอื่น ให้ค่าคงตัวการสลายและอายุเฉลี่ย จากนั้นแสดงว่าหนึ่งกรัมของนิวไคลด์บริสุทธิ์ให้กัมมันตภาพเท่าใด และหลังกำหนดเวลาที่ให้ไว้จะเหลือเท่าใด
เลขมวลสำหรับคำนวณกัมมันตภาพจำเพาะนำมาจากนิวไคลด์ที่เลือกไว้ในส่วนเชิงโต้ตอบ ในการตั้งค่าละเอียดของบัตรสามารถเปลี่ยนไปใช้ร้อยตามข้อตกลงได้
ครึ่งชีวิตสั้นหมายถึงกัมมันตภาพสูง ไม่ได้หมายถึงไม่เป็นอันตราย: นิวไคลด์ยิ่งสลายเร็ว การสลายที่ตกในหนึ่งวินาทีก็ยิ่งมาก และเทคนีเชียม-99m หนึ่งกรัมส่องสว่างกว่ายูเรเนียมหนึ่งกรัมหลายสิบล้านเท่า อันตรายจึงไม่ได้กำหนดโดยครึ่งชีวิตลำพัง หากกำหนดพร้อมกันกับชนิดของรังสี สิ่งที่นิวไคลด์ไปเกาะอยู่ และทางที่มันเข้าสู่ร่างกาย
| ค่า | หมายเหตุ | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · อันดับของขนาด
มาตราลอการิทึม: ห้าสิบสี่อันดับขนาด04 · เครื่องมือวัด
สิ่งที่รอไม่ไหวนั้นวัดด้วยอะไร
วิธีวัดครึ่งชีวิตที่ง่ายที่สุดคือนับเสียงคลิกและดูว่าอัตราของมันลดลงอย่างไรตามเวลา วิธีนี้ใช้ได้กับนิวไคลด์ที่มีชีวิตตั้งแต่นาทีถึงไม่กี่ปี: บนกำหนดที่สั้นกว่านั้นการนับรวบรวมไม่ทัน บนที่ยาวกว่าการลดลงจะหายไปในการกระจายของค่าที่อ่านซึ่งเลี่ยงไม่พ้น
หัววัดสารกึ่งตัวนำที่ทำจากเจอร์เมเนียมแยกพลังงานของควอนตัมได้ถึงหนึ่งในพันของเปอร์เซ็นต์ จึงยอมให้ติดตามนิวไคลด์หนึ่งในส่วนผสมของอีกสิบกว่าชนิด ส่วนความกว้างของเส้นสเปกตรัมเองก็เผยครึ่งชีวิตของสถานะที่มีชีวิตสั้นกว่าหนึ่งนาโนวินาที: ชีวิตยิ่งสั้น ระดับยิ่งกว้าง
ในนิวไคลด์ที่มีชีวิตยืนยาว การรอการสลายไม่มีความหมาย จึงนับอะตอมทีละตัวโดยแยกตามมวลในสนามแม่เหล็ก การหาอายุด้วยคาร์บอนกัมมันตรังสีตั้งอยู่บนสิ่งนี้เอง: ในตัวอย่างไม่ได้ค้นหารังสี หากค้นหานิวเคลียสของคาร์บอน-14 เอง ซึ่งมีอยู่หนึ่งตัวในทุกล้านล้านนิวเคลียสธรรมดา
ครึ่งชีวิตระดับล้านล้านล้านปีวัดกันโดยเอาสารหลายตันแล้วรอหนึ่งปี: การสลายสองสามครั้งย่อมเกิดขึ้นอยู่ดี เพื่อแยกแยะมัน อุปกรณ์ถูกซ่อนไว้ใต้หินหนาหนึ่งกิโลเมตร ล้อมด้วยตะกั่วเก่าที่กู้ขึ้นมาจากเรือจม และนับเหตุการณ์ที่มีเพียงเดือนละสองสามครั้ง
05 · กฎการเขียน
นิวไคลด์มาก่อน หน่วยตามหลัง
เครื่องหมายเขียนด้วยอักษรละตินตัวใหญ่และดัชนีล่าง «หนึ่งส่วนสอง» ส่วนเลขมวลวางไว้บนซ้ายของสัญลักษณ์ธาตุ หรือหลังชื่อของมันด้วยยัติภังค์ หน่วยต้องระบุเสมอและเลือกให้สะดวกตามขนาด การเอาครึ่งชีวิตไปปนกับอายุเฉลี่ยนั้นไม่อนุญาต — ทั้งสองต่างกันด้วยตัวคูณ 1.443
การเขียนแบบแรกผิดพร้อมกันสองอย่าง: ยูเรเนียมมีไอโซโทปหลายชนิดที่มีครึ่งชีวิตต่างกัน และหน่วยก็หายไป แบบที่สองทำให้ครึ่งชีวิตเท่ากับอายุเฉลี่ย ทั้งที่อย่างหลังยาวกว่า 1.443 เท่า แบบที่สามสมมติการหมดสิ้นซึ่งเส้นเลขชี้กำลังไม่อนุญาต: หลังสองครึ่งชีวิตยังเหลือหนึ่งในสี่ แบบที่สี่มอบกำหนดเวลาให้อะตอมเดียวซึ่งมันไม่มี
06 · หน่วยข้างเคียง
ครึ่งชีวิตยืนอยู่ในแถวเดียวกับปริมาณที่บรรยายการสลายเดียวกันนี้จากด้านอื่น: กัมมันตภาพที่วัดเป็นเบกเคอเรล ค่าคงตัวการสลายซึ่งมีมิติเป็นส่วนกลับของเวลา และอายุเฉลี่ย รู้อย่างใดอย่างหนึ่งก็พอ — ที่เหลือตามมาด้วยตัวคูณ
การสลายต่อวินาที
วินาทีกลับส่วน
ยาวกว่า 1.443 เท่า
ใน แผ่นข้อมูลของ Simetrium ที่อยู่ข้างกันคือ เบ็กเคอเรล และ คูรี, ซึ่งใช้วัดตัวกัมมันตภาพเอง, เกรย์ และ ซีเวิร์ต สำหรับปริมาณดูดกลืนและปริมาณสมมูล, บาร์น จากภาคตัดขวางนิวเคลียร์ และ วินาที, ซึ่งในที่สุดครึ่งชีวิตก็แสดงออกด้วยหน่วยนั้น
07 · ภาคประวัติ
นาฬิกาที่ไขลานก็ไม่ได้ หยุดก็ไม่ได้
รัทเทอร์ฟอร์ดพบว่ารังสีของแก๊สที่ทอเรียมปล่อยออกมาลดลงด้วยตัวคูณเดียวกันในช่วงเวลาที่เท่ากัน และเสนอปริมาณที่ตอนแรกเขาเรียกว่าเวลาของการแปรครึ่งหนึ่ง นี่เป็นกระบวนการแรกในธรรมชาติที่อัตราของมันเปลี่ยนไม่ได้ด้วยสิ่งใดเลย
เคลวินคำนวณอายุจากการเย็นตัวของลูกโลกได้ยี่สิบถึงสี่สิบล้านปี และสำหรับนักธรณีวิทยากำหนดนั้นสั้นอย่างสิ้นหวัง ตะกั่วที่สะสมในแร่ยูเรเนียมให้เป็นพันล้านทันที — และอธิบายไปด้วยว่าทำไมการคำนวณของเคลวินจึงถูกลิขิตให้ผิด: เขาไม่รู้ว่าเบื้องลึกอุ่นขึ้นด้วยการสลายของตัวเอง
วิลลาร์ด ลิบบีเข้าใจว่าสิ่งมีชีวิตแลกเปลี่ยนคาร์บอนกับสิ่งแวดล้อมอยู่ตลอด และหลังความตายการแลกเปลี่ยนหยุดลง นาฬิกาจึงเริ่มเดิน วิธีนี้ผ่านการทดสอบครั้งแรกบนไม้จากสุสานอียิปต์ซึ่งรู้อายุจากจารึก และคลาดเคลื่อนจากอายุนั้นเพียงหนึ่งศตวรรษครึ่ง
ที่เก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วออกแบบตามครึ่งชีวิตของนิวไคลด์ที่บรรจุอยู่ และกำหนดเวลาที่ได้นั้นทำให้ภารกิจเกินขอบเขตวิศวกรรม: จะฝากคำเตือนไว้ให้ผู้คนที่ภาษาของเขายังไม่มีอยู่ได้อย่างไร ที่เก็บออนกาโลของฟินแลนด์คำนวณไว้หนึ่งแสนปี — ยาวกว่าประวัติศาสตร์ที่บันทึกไว้ทั้งหมดสิบเท่า
นาฬิกาเรือนเดียวที่ตั้งใหม่ไม่ได้
เครื่องมือวัดเวลาทุกชนิดอาจถูกทำให้ใช้การไม่ได้: ลูกตุ้มเสียจังหวะเพราะการกระแทก ควอตซ์เลื่อนไปตามความร้อน แม้นาฬิกาอะตอมก็ต้องแก้ค่าเพราะแรงโน้มถ่วง การสลายกัมมันตรังสียืนอยู่ต่างหากในแถวนี้ เพราะมันเกิดภายในนิวเคลียส ที่ซึ่งทั้งอุณหภูมิ ความดัน และพันธะเคมีเอื้อมไปไม่ถึง
ความเป็นอิสระเช่นนี้มีด้านกลับด้วย และเป็นด้านที่ไม่น่าพอใจ ในเมื่อกระบวนการเร่งไม่ได้ การทำให้กากปลอดภัยจึงเป็นไปไม่ได้โดยหลักการ: ทำได้เพียงรอให้มันผ่านไป และการรอนั้นยาวเกินอายุของทุกรัฐและทุกภาษา หน่วยที่ในห้องปฏิบัติการดูเหมือนความสะดวก เมื่ออยู่ในมาตราของที่เก็บกากกลับกลายเป็นขีดจำกัดที่เถียงไม่ได้
สารบัญ · หน่วยวัด
แผ่นข้อมูลสำหรับทุกปริมาณ
หน่วยฐานของ SI เจ็ดหน่วย หน่วยอนุพัทธ์ที่มีชื่อของตนเองยี่สิบสองหน่วย และปริมาณนอกระบบซึ่งขาดไปแล้วทั้งงานช่างและปฏิทินก็ไม่เดิน