同位素的半衰期是多少以及为什么它们很重要？

了解半衰期的工作原理改变了我们测量年龄和识别疾病的能力。

半衰期，特别是碳 14 的半衰期，使我们能够确定骨头的年龄，例如来自威尔士挖掘的骨头。

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同位素具有独特的半衰期这一事实已经证明，它可能是人类了解地球深层历史的最强大工具。但什么是半衰期，我们如何使用它们——就此而言，同位素是什么？

原子核由质子和（除了大多数氢）中子组成。质子数决定了它是什么元素：氧为 8 个，铁为 26 个，金为 79 个。然而，中子的数量可以变化。如果两个原子都具有相同数量的质子和中子，那么它们就是相同的同位素。如果它们具有相同数量的质子和不同数量的中子，则它们是同一元素的不同同位素。同位素由其元素以及中子和质子的总数来指定。

有些同位素是稳定的：只要它们没有发生任何事情，例如遇到经过的单独中子，它们就会在宇宙的一生中持续存在。然而，大多数元素都有多种不稳定的同位素，它们会随着时间的推移慢慢衰变，释放辐射并变成完全不同的东西。

例如，最常见的碳是碳12，由六个质子和六个中子组成。这是两者之间的适当平衡，以确保稳定性，并且每个碳 12 原子在大多数环境中都将永远存在。这对我们来说也很好，因为我们体内最常见的元素之一具有放射性将是一个问题。碳 13 具有第七个中子，形成较少，但也很稳定。

然而，碳14也存在于自然界中，我们可以在实验室中制造碳11。两者都具有放射性，这意味着它们都会衰变，但碳 11 的衰变速度要快得多。这时候就引入了半衰期的概念。

任何单个原子衰变所需的时间永远无法预测，但大样本的统计预测可以非常精确。

对于任何放射性同位素的大量样本，一半的原子将在称为该同位素半衰期的时间内衰变。如果你适当地储存一公斤碳14，5700年后你的继承人将拥有500克碳14和500克氮14。在这两者之间，当一半原子从一个原子转变为另一个原子时，大量的β粒子（快速移动的电子）将被释放。

另一方面，半个碳 11 样品在短短 20 分钟内就会变成硼 11，这就是为什么我们必须自己制造。任何自然形成的事物都进展得非常快。

你可能会认为，再过 5,700 年，其余的碳 14 也会衰变，只剩下氮，但事实并非如此。相反，剩余的碳 14 的一半会在这段时间内衰变，留下 250 克。再过 5.7 千年，重量将达到 125 克，依此类推。 

只有当数百万年过去了，只剩下最后几个碳原子时，情况才开始变得不可预测——样本量如此之小，你可能会失去大部分剩余的碳，或者明显少于一半，即使一半是最有可能的结果。

为什么它很重要

从科学角度来说，半衰期对于我们确定物体年龄的能力至关重要。植物和光合作用藻类从大气中吸收碳，并根据其在大气中的存在比例捕获少量的碳 14。直到最近，这意味着活植物组织和以这些植物为食的活动物中的碳 14 是恒定的。然而，一旦植物或动物死亡，碳14就会开始腐烂，而碳12和-13则保持不变。如果你发现一个物体的稳定碳同位素碳 14 含量是历史大气中的一半，则意味着它已有 5,700 年的历史。四分之一意味着它已经有 10,400 岁了。

通过测量碳 14 的含量，我们首次能够确定祖先化石的年代，这是了解我们进化的关键一步。它还用于测试声称是古代文物的物品的真实性。

然而，碳测年法也有其局限性。它不能用来测量数百万年物体的年龄，因为碳14所剩无几。另一方面，近年来人类扰乱了大气中的碳比率。此前，大多数碳14是通过宇宙射线撞击大气氮原子的产物形成的。燃烧化石燃料释放的碳几乎不含碳14，因此降低了大气比例，而核试验产生的碳足以提高全球平均水平。这两种人类活动相互对抗，但都改变了比率，这在未来将使得仅使用碳来估计我们时代物体的年龄变得困难。

然而幸运的是，还有许多其他放射性同位素可用于测年，其中一些放射性同位素的衰变速度要慢得多，使我们能够估计更古老物体的年龄。

碳 14 的半衰期长达数千年，因此在任何一年中衰变的碳 14 原子都很少，因此我们的器官中不会因为它的存在而受到太大影响。然而，对于一些半衰期较短的原子来说，情况并非如此。锶 90、铯 137 和钴 60 等同位素的半衰期足够短，足以产生大量辐射，但又足够长，当事故导致它们释放时，我们无法轻易等待辐射消失离开。当它们衰变时释放的辐射强大到足以产生危险时，就像这些同位素或它们衰变的产物一样，这就是一个大问题。

另一方面，半衰期短的同位素也很有用。我们将它们用于医学成像，跟踪它们释放的辐射以识别人体问题，或释放科学实验所需的粒子。通常，问题在于寻找半衰期恰好适合该工作的同位素。

半衰期的概念还有其他应用。药物、维生素和毒药在体内都有半衰期，其中一半会在特定的时间内被排出或分解。对于前两个，这使我们能够计算出需要多快更换它们。