全プロセスの詳細解説
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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学習の道すじ
岩の中の時計
参考文献 (2)
- The decay rate that is not quite constant, in the third block: T. Ohtsuki, H. Yuki, M. Muto, J. Kasagi and K. Ohno, "Enhanced Electron-Capture Decay Rate of ⁷Be Encapsulated in C₆₀ Cages." Physical Review Letters 93(11), 112501, 2004.
- The U-238 chain, its 14 steps and their half-lives: National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory — Evaluated Nuclear Structure Data File (ENSDF).