Chu kỳ bán rã
Đại lượng ngoài hệ · biểu thị bằng giây SI · tính chất của hạt nhân đồng vị
Năm 1900 Ernest Rutherford nhận thấy bức xạ của thori yếu dần theo thời gian, và điều đáng kể hơn, nó không yếu đi một cách tùy tiện mà hoàn toàn đều đặn: mỗi phút nó mất đi cùng một phần của sức mạnh trước đó. Thế là tìm ra một đại lượng không phụ thuộc vào nhiệt độ, không vào áp suất, cũng không vào trạng thái hóa học của chất — khoảng thời gian mà một nửa số hạt nhân phân rã.
Nét lạ của nó là ở chỗ nó thuộc về một đám đông chứ không về một hạt nhân riêng lẻ: một nguyên tử đơn độc chẳng có tuổi cũng chẳng có kỳ hạn, và việc nó sẽ phân rã ở giây tiếp theo hay còn nằm đó thêm một triệu năm nữa thì ngay cả về nguyên tắc cũng không đoán được. Nhưng hạt nhân thường rất nhiều — trong một gam có cỡ mười lũy thừa hai mươi mốt — và trên một đám đông như thế, sự ngẫu nhiên trở thành một định luật chính xác.
01 · Định nghĩa
Chu kỳ bán rã là khoảng thời gian mà số hạt nhân của một đồng vị nào đó giảm còn một nửa. Nó gắn bó không mập mờ với hằng số phân rã, đại lượng cho biết xác suất một hạt nhân phân rã trong một đơn vị thời gian, và với thời gian sống trung bình, vốn dài hơn chu kỳ bán rã chừng một nửa.
Định luật hàm mũ suy ra từ một giả thiết duy nhất: xác suất một hạt nhân phân rã không phụ thuộc vào việc nó đã sống bao lâu. Hạt nhân không già đi, không mòn và không tiến gần tới bất cứ kỳ hạn nào — ở mỗi khoảnh khắc nó sẵn sàng phân rã y như khoảnh khắc nó sinh ra, và vì thế phần còn sống sót giảm đi cùng một hệ số trên những khoảng thời gian bằng nhau.
Sự vững vàng khác thường của đại lượng này đến từ chỗ phân rã diễn ra bên trong hạt nhân, nơi hóa học không với tới. Nhiệt, áp suất, từ trường và loại hợp chất đều không tác động lên chu kỳ bán rã, và chỉ trong những trường hợp hiếm hoi, khi các electron của lớp gần hạt nhân nhất tham gia vào phân rã, người ta mới dịch chuyển nó được đôi phần trăm nhỏ.
Khoảng giá trị rộng lớn như không một đại lượng nào khác trong danh mục: từ mười lũy thừa âm hai mươi hai giây ở những hạt nhân vỡ ra trước khi các nucleon kịp đi trọn một vòng quanh hạt nhân, cho tới hơn hai triệu tỉ tỉ năm ở telu-128, mà chu kỳ bán rã của nó vượt tuổi vũ trụ một trăm nghìn tỉ lần. Và tất cả những cái đó đều tuân theo một và cùng một định luật của những nửa.
Hãy dắt thời gian bằng con trượt — nó được đếm bằng chu kỳ bán rã, giống nhau cho cả bốn đồng vị, trong khi các dòng chữ chuyển chúng thành giờ, năm hay thiên niên kỷ thật. Đường cong màu cam cho thấy phần hạt nhân còn sống sót, các bậc màu lam đánh dấu một nửa, một phần tư và một phần tám, còn cột bên phải là phần còn lại của một trăm nguyên tử ban đầu.
Chu kỳ bán rã là tính chất của đám đông chứ không của nguyên tử riêng lẻ: hạt nhân không già đi và ở mọi khoảnh khắc đều có cùng xác suất phân rã như ở giây đầu tiên của đời nó. Vì thế về một nguyên tử không thể nói gì chắc chắn hơn một xác suất, còn về một tỉ nguyên tử thì gần như nói được mọi thứ, và độ tản mát của dự đoán giảm như căn bậc hai của số lượng chúng.
02 · Quy đổi
Chu kỳ bán rã, hằng số, độ phóng xạ
Hãy nhập một chu kỳ bán rã bằng đơn vị tùy ý, phiếu sẽ đổi nó sang các đơn vị còn lại, cho hằng số phân rã và thời gian sống trung bình, rồi chỉ ra một gam đồng vị tinh khiết cho bao nhiêu độ phóng xạ và sau một kỳ hạn cho trước sẽ còn lại bao nhiêu.
Số khối dùng để tính độ phóng xạ riêng được lấy từ đồng vị đã chọn ở phần tương tác; trong các thiết lập tinh của phiếu có thể chuyển sang con số một trăm quy ước.
Chu kỳ bán rã ngắn nghĩa là độ phóng xạ cao chứ không phải vô hại: đồng vị phân rã càng nhanh thì số phân rã rơi vào một giây càng nhiều, và một gam tecneti-99m sáng hơn một gam urani hàng chục triệu lần. Cho nên mối nguy không do riêng chu kỳ bán rã định đoạt, mà cùng với nó là loại bức xạ, là nơi đồng vị bám lại trong cơ thể, và là con đường nó đi vào người.
| Giá trị | Ghi chú | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Bậc độ lớn
thang lôgarit: năm mươi tư bậc độ lớn04 · Dụng cụ đo
Cái không thể chờ được thì đo bằng gì
Cách đo chu kỳ bán rã đơn giản nhất là đếm những tiếng lách cách và nhìn nhịp của chúng giảm theo thời gian. Cách ấy hợp với những đồng vị sống từ vài phút đến vài năm: trên kỳ hạn ngắn hơn, phép đếm không kịp gom lại; trên kỳ hạn dài hơn, sự giảm sút chìm trong độ tản mát không tránh khỏi của các số đọc.
Đầu dò bán dẫn làm bằng gecmani phân biệt năng lượng các lượng tử tới phần nghìn của phần trăm, và do đó cho phép theo dõi một đồng vị trong hỗn hợp cả chục đồng vị khác. Còn bề rộng của chính vạch quang phổ lại để lộ chu kỳ bán rã của những trạng thái sống ngắn hơn một nano giây: đời càng ngắn thì mức càng rộng.
Với những đồng vị sống lâu, đợi phân rã là vô nghĩa, nên người ta đếm từng nguyên tử một, tách chúng theo khối lượng trong từ trường. Định tuổi bằng cacbon phóng xạ đứng chính trên điều đó: trong mẫu người ta không tìm bức xạ mà tìm chính các hạt nhân cacbon-14, cứ một nghìn tỉ hạt nhân thường mới có một.
Những chu kỳ bán rã cỡ triệu tỉ năm được đo bằng cách lấy hàng tấn chất rồi đợi một năm: vài lần phân rã dù sao cũng sẽ xảy ra. Để phân biệt chúng, thiết bị được giấu dưới một kilômét đá, được vây quanh bằng chì cũ vớt lên từ những con tàu đắm, và người ta đếm những sự kiện chỉ có đôi ba lần mỗi tháng.
05 · Quy tắc viết
Hạt nhân đồng vị trước, đơn vị sau
Ký hiệu được viết bằng chữ Latinh hoa và chỉ số dưới «một phần hai», còn số khối đặt ở phía trên bên trái ký hiệu nguyên tố hoặc sau tên nó với một gạch nối. Đơn vị luôn được ghi và chọn sao cho tiện về độ lớn; trộn chu kỳ bán rã với thời gian sống trung bình là không được phép — chúng khác nhau một hệ số 1,443.
Cách viết thứ nhất sai ngay hai lần: urani có mấy đồng vị với chu kỳ bán rã khác nhau, mà đơn vị lại bị bỏ sót. Cách thứ hai đánh đồng chu kỳ bán rã với thời gian sống trung bình, trong khi cái sau dài hơn 1,443 lần. Cách thứ ba giả định một sự cạn kiệt mà hàm mũ không cho phép: sau hai chu kỳ vẫn còn một phần tư. Cách thứ tư gán cho một nguyên tử đơn lẻ một kỳ hạn mà nó không có.
06 · Đơn vị lân cận
Chu kỳ bán rã đứng cùng hàng với những đại lượng mô tả chính sự phân rã ấy từ các phía khác: độ phóng xạ đo bằng becquerel, hằng số phân rã có thứ nguyên nghịch đảo thời gian, và thời gian sống trung bình. Chỉ cần biết bất cứ cái nào trong số đó — những cái còn lại theo sau bằng một hệ số.
phân rã mỗi giây
giây nghịch đảo
dài hơn 1,443 lần
Trong các phiếu của Simetrium bên cạnh là becơren và curie, dùng để đo chính độ phóng xạ, gray và sivơ cho liều hấp thụ và liều tương đương, barn từ các tiết diện hạt nhân và giây, rốt cuộc chu kỳ bán rã được biểu thị bằng nó.
07 · Phần lịch sử
Chiếc đồng hồ không lên dây được cũng không dừng được
Rutherford nhận ra rằng bức xạ của chất khí mà thori thoát ra giảm cùng một hệ số trên những khoảng thời gian bằng nhau, và đưa vào một đại lượng mà ban đầu ông gọi là thời gian của nửa chuyển hóa. Đó là quá trình đầu tiên trong tự nhiên mà tốc độ của nó không thể thay đổi bằng bất cứ thứ gì.
Kelvin từ sự nguội đi của quả cầu Trái Đất rút ra tuổi hai mươi đến bốn mươi triệu năm, và với các nhà địa chất thì kỳ hạn ấy thiếu đến tuyệt vọng. Chì tích lại trong các khoáng vật urani lập tức cho hàng tỉ — và nhân thể giải thích vì sao phép tính của Kelvin bị định phải thua: ông không biết rằng lòng đất tự sưởi ấm bằng chính sự phân rã của mình.
Willard Libby hiểu ra rằng sinh vật luôn trao đổi cacbon với xung quanh, và sau khi chết thì sự trao đổi ngừng lại, chiếc đồng hồ bắt đầu chạy. Phương pháp qua được thử thách đầu tiên trên gỗ lấy từ một ngôi mộ Ai Cập có tuổi đã biết từ chữ khắc, và chỉ lệch khỏi tuổi ấy một thế kỷ rưỡi.
Các kho chôn nhiên liệu đã cháy được thiết kế theo chu kỳ bán rã của những đồng vị chứa trong đó, và kỳ hạn tính ra dài tới mức nhiệm vụ vượt khỏi kỹ thuật: làm sao để lại một lời cảnh báo cho những người mà ngôn ngữ của họ còn chưa tồn tại. Kho Onkalo của Phần Lan được tính cho một trăm nghìn năm — dài gấp mười lần toàn bộ lịch sử thành văn.
Chiếc đồng hồ duy nhất không chỉnh được
Bất cứ dụng cụ đo thời gian nào cũng có thể bị làm cho hỏng: một cú va khiến con lắc lạc nhịp, thạch anh trôi theo nhiệt, ngay cả đồng hồ nguyên tử cũng phải hiệu chỉnh vì trọng lực. Phân rã phóng xạ đứng riêng trong hàng ấy, bởi nó diễn ra bên trong hạt nhân, nơi mà nhiệt độ, áp suất hay một liên kết hóa học đều không với tới.
Sự độc lập như thế cũng có mặt trái, và là mặt khó chịu. Vì quá trình không thể thúc nhanh, làm cho chất thải trở nên vô hại là điều về nguyên tắc bất khả: chỉ có thể đợi nó qua đi, mà sự chờ đợi ấy vượt quá tuổi thọ của mọi nhà nước và mọi ngôn ngữ. Một đơn vị mà trong phòng thí nghiệm trông như một tiện lợi thì ở quy mô của kho chôn lại hóa thành một giới hạn không thể tranh cãi.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một phiếu
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng và các đại lượng ngoài hệ, thiếu chúng thì kỹ thuật lẫn lịch đều không chạy.