ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА
Пери́од полураспа́да квантовомеханической системы (частицы, ядра, атома, энергетического уровня и т. д.) — время 1/2, в течение которого система распадается с вероятностью 1/2. В течение одного периода полураспада в среднем вдвое уменьшается количество выживших частиц, а также интенсивность реакции распада.
Период полураспада наглядно характеризует скорость распада радиоактивных ядер, наряду со средним временем жизни и вероятностью распада в единицу времени (постоянной распада), эти величины связаны друг с другом простым однозначным соотношением.
Период полураспада является константой для данного радиоактивного ядра (изотопа). Для различных изотопов эта величина может изменяться от десятков йоктосекунд (10−24 с) у водорода-7 до более чем 1024 лет у теллура-128, что многократно превышает возраст Вселенной. На основании постоянства периода полураспада строится метод радиоизотопного датирования.
Понятие периода полураспада применяется как к испытывающим распад элементарным частицам, так и к радиоактивным ядрам. Поскольку событие распада имеет квантовую вероятностную природу, то если рассматривать одну структурную единицу материи (частицу, атом радиоактивного изотопа), можно говорить о периоде полураспада как промежутке времени, по истечении которого средняя вероятность распада рассматриваемой частицы будет равна 1/2.
Не следует считать, что за два периода полураспада распадутся все частицы, взятые в начальный момент. Поскольку каждый период полураспада уменьшает число выживших частиц вдвое, за время 2Т1/2 останется четверть от начального числа частиц, за 3Т1/2 — одна восьмая и т. д.. При этом для каждой конкретной отдельной частицы по прошествии времени Т1/2 ожидаемая средняя продолжительность жизни (соответственно, и вероятность распада, и период полураспада) не изменится — этот контринтуитивный факт является следствием квантовой природы явления распада.
Во всех наблюдавшихся случаях (кроме некоторых изотопов, распадающихся путём электронного захвата) период полураспада был постоянным (отдельные сообщения об изменении периода были вызваны недостаточной точностью эксперимента, в частности, неполной очисткой от высокоактивных изотопов). В связи с этим период полураспада считается неизменным. На этом основании строится определение абсолютного геологического возраста горных пород, а также радиоуглеродный метод определения возраста биологических останков: зная концентрацию радиоизотопа в настоящее время и в прошлом, можно рассчитать, сколько точно времени прошло с тех пор.
Предположение об изменяемости периода полураспада используется креационистами, а также представителями т. н. «альтернативной науки» для опровержения научной датировки горных пород, остатков живых существ и исторических находок, с целью дальнейшего опровержения научных теорий, построенных с использованием такой датировки. (См., например, статьи Креационизм, Научный креационизм, Критика эволюционизма, Туринская плащаница).
Вариабельность постоянной распада для электронного захвата наблюдалась в эксперименте, но она лежит в пределах процента во всём доступном в лаборатории диапазоне давлений и температур. Период полураспада в этом случае изменяется в связи с некоторой (довольно слабой) зависимостью плотности волновой функции орбитальных электронов в окрестности ядра от давления и температуры. Существенные изменения постоянной распада наблюдались также для сильно ионизованных атомов (так, в предельном случае полностью ионизованного ядра электронный захват может происходить только при взаимодействии ядра со свободными электронами плазмы; кроме того, распад, разрешённый для нейтральных атомов, в некоторых случаях для сильно ионизованных атомов может быть запрещён кинематически). Все эти варианты изменения постоянных распада, очевидно, не могут быть привлечены для «опровержения» радиохронологических датировок, поскольку погрешность самого радиохронометрического метода для большинства изотопов-хронометров составляет более процента, а высокоионизованные атомы в природных объектах на Земле не могут существовать сколько-нибудь длительное время.
Поиск возможных вариаций периодов полураспада радиоактивных изотопов, как в настоящее время, так и в течение миллиардов лет, интересен в связи с гипотезой о вариациях значений фундаментальных констант в физике (постоянной тонкой структуры, константы Ферми и т. д.). Однако тщательные измерения пока не принесли результата — в пределах погрешности эксперимента изменения периодов полураспада не были найдены. Так, было показано, что за 4,6 млрд лет константа α-распада самария-147 изменилась не более чем на 0,75 %, а для β-распада рения-187 изменение за это же время не превышает 0,5 %[16]; в обоих случаях результаты совместимы с отсутствием таких изменений вообще.
Модель, демонстрирующая один из ключевых для ядерной физики процессов — распад атомов радиоактивного вещества.
У любого радиоактивного изотопа есть определенный период полураспада — время, за которое распадается примерно половина от первоначального числа его радиоактивных ядер. График справа показывает, как изменяется число исходных радиоактивных ядер после нескольких периодов полураспада. В начале процесса есть 1000 исходных ядер, и за первый период полураспада их число сокращается примерно в два раза. Вместо распавшихся исходных ядер возникают дочерние, число протонов и нейтронов которых зависит от вида распада исходного ядра (альфа-, бета-, гамма-распад или другие).
Затем число исходных ядер снова уменьшается приблизительно вдвое. Это будет продолжаться до тех пор, пока все исходные ядра не распадутся. Тем не менее получившееся вещество может остаться радиоактивным, если дочерние ядра также окажутся нестабильными изотопами — они снова продолжат распадаться.
Период полураспада является константой для любого радиоактивного изотопа, но сам распад атома вещества — это случайный процесс. Он характеризуется постоянной распада λ — вероятностью распада ядра в единицу времени. Схема справа показывает лишь возможный ход распада исходных ядер. Каждый раз распад осуществляется разным образом, поэтому в силу вероятностного характера невозможно точно смоделировать, как будет протекать этот процесс.
Чем это интересно для науки?
В большинстве справочников, содержащих данные о радиоактивных изотопах, период полураспада приводится вместе с определенной погрешностью в измерениях. Для основных химических элементов, встречающихся в природе, эта ошибка составляет доли процента. Однако для очень большого числа изотопов, в том числе и синтезированных, периоды полураспада измерены очень приблизительно, с погрешностью около 50%, и это требует дальнейшего экспериментального и теоретического уточнения данных.
Почему это важно знать?
Период полураспада — это важный параметр радиоактивного вещества, от которого зависит возможность его использования для тех или иных целей. К примеру, наиболее часто встречающийся изотоп урана — это уран-238, но он обладает слишком большим периодом полураспада, поэтому для изготовления ядерного топлива чаще используется уран-235.
“>1Высокая активность в сочетании со сравнительно долгим периодом полураспада делают плутоний-238 идеальным веществом для питания радиоизотопных термоэлектрических генераторов.Многие радиоизотопы с небольшим периодом полураспада находят применение в современной медицине. А еще благодаря явлению полураспада мы смогли определить возраст Земли.