科學(xué)百科55期丨為什么說(shuō)某一同位素的半衰期，而不談它的總壽命

本期為大家?guī)?lái)：

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個(gè)問(wèn)題》

本書是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。

作者以通俗的語(yǔ)言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個(gè)尖端課題。

其中，有些是了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對(duì)論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場(chǎng)論、夸克、快子、金屬氫等。

作者對(duì)這些問(wèn)題的來(lái)龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒(méi)有希望得到解決等問(wèn)題均作了回答。

▼

第五十五個(gè)問(wèn)題：為什么我們總是說(shuō)某一同位素的半衰期，而不談它的總壽命呢？

有些原子是不穩(wěn)定的，這樣的原子如果聽(tīng)其自然，早晚必定會(huì)自發(fā)地發(fā)生變化。那時(shí)就會(huì)有一個(gè)高能粒子或γ射線光子從它的原子核里飛出，因而它就變成另一種原子（屬于同一種元素的原子可以稱為這種元素的同位素）。如果在某個(gè)地方有大量的不穩(wěn)定原子，它們就會(huì)朝四面八方輻射出粒子或γ射線，所以我們說(shuō)，這樣的原子是放射性的。

我們無(wú)法說(shuō)一個(gè)特定的放射性原子什么時(shí)候會(huì)發(fā)生變化。這可能在一秒鐘內(nèi)發(fā)生，也可能過(guò)了一年還不發(fā)生，甚至可能過(guò)一千萬(wàn)億年還不發(fā)生。因此，你無(wú)法測(cè)定放射性原子的“總壽命”（即它保持不變的時(shí)間）。這種“總壽命”可以具有任意值，所以，談“總壽命”是沒(méi)有用的。

不過(guò)，假定在某個(gè)地方有很多很多某種特定放射性同位素的原子。在任何一個(gè)指定的時(shí)刻，其中都有一些原子在發(fā)生變化。這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)，盡管你在任何條件下都不能夠說(shuō)某個(gè)特定的原子將在什么時(shí)候發(fā)生變化，但你卻可以預(yù)言說(shuō)，在（比方說(shuō)）一百萬(wàn)億億億個(gè)原子當(dāng)中，有多少個(gè)原子在多少秒鐘以后會(huì)發(fā)生變化。

這是個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)的問(wèn)題。你完全不可能說(shuō)出某個(gè)特定的美國(guó)人在某一年會(huì)不會(huì)死于車禍，但你卻有可能相當(dāng)精確地預(yù)言說(shuō)，在某一年內(nèi)會(huì)有某一數(shù)量的美國(guó)人在車禍中喪命。

只要給出大量某一特定同位素的原子，我們就可以測(cè)出它們?cè)谀骋恢付〞r(shí)刻的輻射量，因而就能夠預(yù)言在將來(lái)任何時(shí)刻會(huì)有多大的輻射量（會(huì)有多少個(gè)原子在發(fā)生變化）。已經(jīng)查明，只要把原子發(fā)生變化的方式規(guī)定下來(lái)，那么，不管在開(kāi)始時(shí)有多少原子，在原子總數(shù)中有1/10發(fā)生變化所需要的時(shí)間總是相同的，事實(shí)上，這些原子當(dāng)中的2/10（或4/17，19/573還是任何別的特定的分?jǐn)?shù)）發(fā)生變化所需要的時(shí)間總是固定不變的，不管最初有多少個(gè)原子。

因此，我們不說(shuō)某一特定同位素原子的“總壽命”有多長(zhǎng)（這是沒(méi)有什么用處的），卻說(shuō)其中某一部分發(fā)生變化所需要的時(shí)間有多長(zhǎng)，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度比較容易測(cè)量出來(lái)。但是，這個(gè)某一部分到底應(yīng)該是多大呢？在所有分?jǐn)?shù)當(dāng)中最簡(jiǎn)單的是1/2，所以通常就用某一特定同位素原子的一半發(fā)生變化所需要的時(shí)間來(lái)作標(biāo)準(zhǔn)，這就是這種同位素的“半衰期”。

某種特定的同位素越穩(wěn)定，它的原子就越不容易發(fā)生變化，因而在你開(kāi)始進(jìn)行觀察以后的（比方說(shuō)）一個(gè)鐘頭內(nèi)，某一特定數(shù)量的原子發(fā)生變化的可能性也越小，這就是說(shuō)，其中一半原子發(fā)生變化所需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。

換句話說(shuō)，某種特定同位素的半衰期越長(zhǎng)，它就越穩(wěn)定；半衰期越短，它就越不穩(wěn)定。

有些同位素的半衰期確實(shí)很長(zhǎng)。釷232這種同位素的半衰期為140億年，任何一個(gè)數(shù)量的釷232，都要經(jīng)過(guò)這樣長(zhǎng)的時(shí)間，才有一半發(fā)生衰變。這就是為什么釷232在地殼中盡管已經(jīng)呆了將近50億年的時(shí)間（而且在不斷衰變著），至今蘊(yùn)藏量還非常豐富的原因了。

但是，有些同位素的半衰期卻確實(shí)非常短。氦5這種同位素的半衰期大約只有一千億億億分之一秒。