放射性元素的半衰期如何理解?這個時間能改變嗎?

2020-12-03 李論科學

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放射性物質的半衰期是可以改變的,但大多數要通過人為因素的幹擾。當一個不穩定的原子核自發地轉變成低能態並釋放出少量輻射時,就會發生放射性衰變。這個過程把原子就變成了不同的元素或不同的同位素。由於放射性衰變是一個自發的事件,你可能會認為衰變過程的半衰期是完全固定的,不能被外界影響改變。但是這種說法並不完全正確。

首先說下,這個半衰期如何理解?

記住這一點:放射性衰變是一種量子行為,在量子層面上我們無法準確的描述任何事情,因此單個放射性原子衰變的時間是完全隨機的。我們不能確定某個放射性原子何時衰變,我們只能給出一個概率。

一個放射性原子何時衰變是無法預測的。我們現在所說的某種原子的半衰期並不能描述每個原子在衰變前所經歷的確切時間。而半衰期描述的是大量的原子達到一半原子衰變所需要的平均時間。

就像鈾原子的半衰期長達45億年,但我們不知道單個鈾原子何時衰變,這完全是隨機的。雖然地球目前也存在了大約45億年之久,但根據鈾的半衰期,我們就能知道目前地球上還存在大量的鈾元素。

怎樣改變放射性元素的半衰期

放射性物質的半衰期可以利用時間膨脹效應改變。根據相對論,時間本身可以被減慢。因此,如果時間被延長,所有經歷時間的事物都能被賦予更長的有效壽命。

有兩種方法可以做到這一點。相對於靜止的觀察者,以接近光速的速度移動會使時間明顯減慢。例如,由於時間膨脹,大量的放射性原子在實驗室中高速穿過加速環時,其半衰期相對於實驗室會延長。這種效果已經被粒子加速器驗證了很多次。

時間也可以通過施加很強的引力場來膨脹。例如,由於時間膨脹,在黑洞附近放置一堆放射性原子也會延長它們相對於遠處觀察者的半衰期。

放射性衰變的半衰期也可以通過改變原子核周圍電子的狀態來改變。在一種被稱為「電子俘獲」的放射性衰變中,原子核吸收一個原子的電子,並將其與質子結合形成中子和中微子。原子電子的波函數與原子核重疊的越多,原子核捕獲電子的能力就越強。

因此,電子俘獲放射性衰變模式的半衰期與原子的電子處於何種狀態略有關係。通過激發或使原子的電子形成與原子核重疊較少的狀態,可以延長半衰期。由於原子間的化學鍵合涉及原子電子波函數的變形,因此原子的放射性半衰期取決於它如何與其他原子結合。只要改變與放射性同位素相連的相鄰原子,我們就可以改變它的半衰期。然而,以這種方式完成的半衰期變化通常很小。例如,一項由B. Wang等人完成並發表在《歐洲物理雜誌》上的研究發現,通過用鈀原子包圍鈹原子,鈹-7的電子俘獲半衰期延長了0.9%。

除了改變化學鍵外,半衰期還可以通過簡單地移除原子中的電子來改變。這種方法是將所有的電子都可以從一個放射性原子中剝離出來。對於這樣的離子,不再有任何電子可以捕獲,因此電子捕獲的半衰期放射性衰變模式就會變成無限長。某些只能通過電子捕獲模式衰變的放射性同位素(如銣-83)可以通過剝離所有電子而永不衰變。除了電子俘獲外,人們還發現其他類型的放射性衰變的半衰期取決於周圍電子的狀態,但影響較小。由於電子環境的改變,半衰期的變化通常很小,遠遠小於1%。

以上就是改變放射性元素半衰期的辦法!

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