放射性崩壊計算機

初期量と半減期を入力すると、放射性試料が時間とともにどのように崩壊するかを可視化できます。

インタラクティブシミュレーションを読み込んでいます...

U-238 が鉛になるまで14段階 🖖

実際の同位体が直接安定した核種に崩壊することはまれです — U-238はトリウム、ラジウム、ラドン、ポロニウムなどを経て約14回の連続的な崩壊を経たのち、最終的に安定なPb-206に到達します。半減期は数十億年から数マイクロ秒まで幅広く分布します。ある中間段階の半減期がその親核種よりはるかに短い場合、その系列は永年平衡に達します。すべての娘核種の放射能は親核種の崩壊速度に同期するため、ここに示したような単純な指数関数一本でも、系列全体が十数段階に及ぶにもかかわらず、親核種の減衰を正確に表すことができます。

ランダムな原子、予測できる集団 🖖

不安定な原子核が崩壊する瞬間は誰にも予測できません。内部にカウントダウンはなく、あるのは1秒あたりの一定の確率だけです。しかし何兆個もの原子が集まると、そのランダムさは平均化され、ここに見える滑らかな曲線になります。半減期とは試料が原子の半分を失うまでの時間にすぎず、3回の半減期を経ると最初の量に関係なく (1/2)3 = 1/8 だけが残ります。

実は完全に一定ではない「定数」 🖖

教科書は、崩壊速度は温度・圧力・化学状態に左右されないと述べます。アルファ崩壊やベータ崩壊ではこれはほぼ完璧に成り立ちます。しかしベリリウム7のように電子捕獲で崩壊する同位体は、自分自身の原子から電子を借りるため、その速度は原子核付近の電子密度に依存します。化学者は化合物を変えたり圧力をかけたりするだけで、Be-7の半減期(約53日)を1%ほど変化させてきました。

全プロセスの詳細解説

  1. 5730年の半減期5回分放置された炭素14の試料 5 ステップ

    炭素14の半減期は5730年であり、ある試料がその5回分放置されています。残存量を求め、この滑らかな指数関数が現実の対象を記述しなくなる境界を見つけなさい。

    1. 崩壊定数は半減期のことではありません。これは任意の1つの原子核が1年あたりに崩壊する確率であり、半減期によって失われる割合の因子がそれであるため、この2つは ln 2 によって関連付けられています。

    2. 5半減期とは5回の半減を意味します。残る割合は1/2の累乗であり、指数関数の形式を用いても同じ数値が得られます。

    3. 1000個の原子核から、31.25個が残ります。探していた問題はここにあります。原子核の4分の1というものは存在せず、滑らかな曲線は静かに試料の実態を記述しなくなっているのです。

    4. 実際に残るのは、31に近い平均値を持つランダムな数値です。崩壊はポアソン過程であるため、ばらつきはカウント数の平方根となります。1回の測定では約±18%であり、試料を増やさない限り、平均化によってこれを取り除くことはできません。

    5. 経過時間は5半減期、すなわち28,650年です。時間をその2倍にすると、1000個中1個の原子核しか残らないため、放射性炭素年代測定は約5万年で限界を迎えます。これは物理法則が変わるからではなく、シグナルがコンタミネーション(汚染)と区別できる水準を下回るためです。

    解答

    ツールは、1年あたり λ = 1.21 × 10⁻⁴、残存率 3.125%31.25 個の原子核、経過時間 28,650 年と出力します。ステップ3と4は、物理学上の答えが実験室における現実の答えへと変化する場所です。指数減衰は集団全体の平均であり、その精度は集団が天文学的に巨大であることに由来します。炭素1グラムには約 5 × 10²² 個の原子が含まれているため、統計的揺らぎは目に見えません。同じ法則を数十個の原子核のレベルまで下げるて適用するとノイズこそが答えとなり、これこそが年代測定の研究室が特定の年代ではなく年数の不確かさを提示する理由です。

学習の道すじ

岩の中の時計

この次に 放射年代測定 法則そのものと、それが信頼に足る理由(どの原子も自分がいつ崩壊するかは知らないものの、十分な数の集団になれば小数点以下数桁まで正確に予測できること)。そして、温度や圧力、化学状態に依存しない、半減期というパラメータ

参考文献 (2)

例題

  • 炭素14 - 炭素14: t½ = 5,730年。有機物の年代測定に使用される。
  • ヨウ素131 - ヨウ素131: t½ = 8.02日。甲状腺治療に用いられる代表的な医療用同位体。
  • ウラン238 - ウラン238: t½ = 4.47 Gyr。非常に長寿命で、地球の年代測定に用いられる。
  • ラジウム226 - ラジウム226: t½ = 1,600年。マリー・キュリーとピエール・キュリーによって発見された。