文|小彭的燦爛筆記
編輯|小彭的燦爛筆記
前言
在實體學、化學和核科學中，"半衰期"是指放射性物質樣本中一半原子發生放射性衰變所需的時間，它是了解放射性物質行為的一個基本概念，通常用符号"t½"表示。
放射性物質是不穩定的，随着時間的推移會自發衰變，轉化為其他元素或同位素，這種衰變是一個随機過程，但平均而言，它遵循一種可預測的模式，半衰期是指樣本中一半放射性原子衰變所需的時間，經過一個半衰期後，一半的原始物質将發生衰變，剩下的另一半則保持原來的形态。
放射性物質的衰變遵循指數衰變曲線，這意味着每過一個半衰期，剩餘的物質數量就會減少一半，如果從100克半衰期為一小時的放射性物質開始，一小時後，剩餘量為50克，兩小時後，剩下25克，以此類推。
定年技術
半衰期用于放射性測年方法，例如用于考古和地質目的的碳-14測年，通過測量樣本中放射性同位素的剩餘量，科學家可以估算出樣本的年齡。
利用半衰期概念的測年技術，半衰期對确定各種材料和文物的年齡至關重要，這些年代測定技術被廣泛應用于考古學、地質學和其他科學領域，以确定年代年表。
碳-14測定也許是最著名的測年技術，它用于确定含碳有機材料（如骨骼、木材和紡織品）的年代，碳-14（^14C）是一種碳的放射性同位素，在地球大氣中通過宇宙射線的互相作用而形成，生物通過食物鍊不斷吸收碳，包括碳-14。
當生物體死亡時，就會停止吸收碳-14，放射性同位素開始衰變，半衰期約為5,730年，通過測量樣本中剩餘的碳-14，并将其與最初的數量進行比較，科學家可以估算出該生物死亡的時間。
鉀氩年代測定法用于确定岩石和礦物的年齡，尤其是火山岩，它基于鉀-40（^40K）到氩-40（^40Ar）的放射性衰變，鉀是礦物中常見的元素，它含有少量但可測量的放射性鉀-40，鉀-40的半衰期約為13億年，當火山岩凝固時，岩石中殘留的氩氣就是鉀-40衰變的結果，通過測量樣本中鉀和氩的比例，科學家可以計算出岩石的年齡。
鈾系列測年法包括幾種依靠鈾同位素衰變的方法，這種技術用于測定碳酸鈣沉積物的年代，如洞穴構造（speleothems）和珊瑚礁，鈾-238（^238U）衰變為钍-230（^230Th）的半衰期約為45億年，通過測量樣本中鈾和钍同位素的比例，科學家可以估算出材料的年齡。
發光測年法包括熱釋光（TL）和光激發發光（OSL）等技術，這些方法用于确定礦物和陶瓷的年代，有些礦物在受熱或受光照時，會将電子捕獲在能量狀态中，然後再将能量以光的形式釋放出來。
自上一次受熱或受光以來，俘獲電子的數量會随着時間的推移而增加，通過測量發光信号，科學家可以估算出材料上次受熱或受光的時間。
這些測年技術是科學家和考古學家确定古代文物、地質構造和環境變化年代的寶貴工具，通過了解放射性衰變和半衰期的原理，研究人員可以拼湊出過去事件的時間線，并深入了解地球的曆史和文明的發展。
了解半衰期對輻射安全至關重要，它有助于确定放射性物質的安全處理和處置，半衰期較短的同位素放射性更強，需要更嚴格的封閉和安全措施。
醫學應用
在核醫學中，具有特定半衰期的同位素用于診斷成像和癌症治療，同位素的半衰期決定了它在病人體内保持放射性的時間，進而可以制定有效的治療計劃。
核醫學是醫學成像的一個分支，利用放射性同位素診斷和治療各種病症，根據衰變特性選擇具有特定半衰期的放射性同位素，常用的同位素包括锝-99m（^99mTc）、碘-131（^131I）和铊-201（^201Tl）。
在診斷成像中，少量放射性同位素會通過口服或注射進入患者體内，這些同位素會發出伽馬射線，可被專門的相機（伽馬相機）探測到，通過追蹤放射性同位素在體内的分布和濃度，醫生可以建立圖像，提供有關器官功能、血流群組織異常的寶貴資訊，這有助于診斷和監測癌症、心髒病和甲狀腺疾病等疾病。
放射治療中使用精心控制半衰期的放射性同位素來治療癌症，放射治療是将高能量輻射（通常是X射線或伽馬射線）照射到癌症惡性良性腫瘤上，以摧毀癌細胞或縮小惡性良性腫瘤，放射源，如铯-137（^137Cs）或钴-60（^60Co），用于近距離放射治療，即把放射源直接置于惡性良性腫瘤内部或附近，同位素的半衰期決定了治療的有效期以及何時需要更換放射源。
放射性碘-131（^131I）常用于治療甲狀腺疾病，尤其是甲狀腺癌和甲狀腺功能亢進症，甲狀腺會自然吸收碘，包括放射性碘，當注射^131I時，它會被甲狀腺組織吸收，并發出輻射，選擇性地靶向破壞甲狀腺細胞，這種療法之是以有效，是因為甲狀腺是唯一積聚碘的器官，周圍組織不會受到輻射照射。
正電子發射斷層掃描（PET）是一種特殊的成像技術，使用正電子發射的放射性同位素，如氟-18（^18F）或碳-11（^11C），這些同位素的半衰期很短，通過發射正電子衰變，正電子與體内電子碰撞産生伽馬射線。
正電子發射計算機斷層掃描用于觀察體内的新陳代謝和生化過程，PET掃描在惡性良性腫瘤學中尤為重要，可用于癌症分期、監測治療反應和檢測癌症複發，放射性同位素（如锝-99m）用于灌注研究，以評估器官群組織的血流量，這對于診斷缺血（血流不足）等情況和評估器官功能非常重要。
骨掃描使用锝-99m标記的化合物來檢測骨骼異常，如骨折、惡性良性腫瘤和感染，這些放射性同位素的醫學應用和半衰期原理為診斷和治療各種疾病和病症提供了非侵入性的方法，進而徹底改變了醫學領域，它們為了解人體機能提供了寶貴的資訊，并使治療具有針對性和有效性，同時最大限度地減少對健康組織的傷害。
半衰期在各種工業流程中都很重要，例如在制造業的品質控制中，放射性示蹤劑可用于監測材料的流動和識别缺陷。
它用于研究放射性污染物在環境中的擴散和衰變，了解特定同位素的半衰期有助于評估對環境的影響和潛在風險。
核能應用
半衰期是核反應堆設計和安全規程的關鍵因素，它有助于确定燃料棒的壽命和放射性廢物的衰變速度，核電站利用核能發電，這一過程涉及核裂變，即原子核分裂成更小的原子核，釋放出大量能量。
鈾-235（^235U）和钚-239（^239Pu）通常用作核反應堆的燃料，裂變過程中産生的熱量用于産生蒸汽，蒸汽驅動渦輪機發電，核電站以能量密度高而著稱，這意味着它們可以用相對較少的燃料産生大量電力，與化石燃料相比，這種低燃料消耗有助于減少溫室氣體排放。
核能被認為是一種低碳能源，因為它在發電過程中不會排放溫室氣體，這使其成為減緩氣候變化的潛在貢獻者。
核能也存在一些環境問題，包括放射性廢料的長期管理和處置，以及發生事故的可能性，1986年切爾諾貝利災難和2011年福島第一核電站事故就證明了這一點。
核反應堆有多種類型，包括壓水堆（PWR）、沸水堆（BWR）和快中子增殖反應堆（FBR），每種類型都有其獨特的特點和優勢，快中子增殖反應堆的設計目的是産生比消耗更多的裂變材料，進而有可能延長核燃料資源的可用性。
核聚變是一種替代核能形式，有可能比裂變更安全、更可持續，它涉及結合輕原子核（如氫同位素）以釋放能量，核聚變為太陽和其他恒星提供能量，與裂變相比，它具有燃料（氫）豐富、放射性廢物顯著減少的優勢。
在地球上實作受控核聚變已被證明是一項重大的技術挑戰，商業核聚變發電廠仍處于實驗階段，随着核電站的老化或停止使用，它們必須安全退役，其放射性廢物必須得到管理并安全儲存數千年，核廢料的長期處置仍是一項挑戰，地質處置庫和先進廢料處理技術的研究仍在進行中。
核能提供穩定可靠的基荷電力來源，這對于維持穩定的能源網和確定能源安全至關重要，
核能有潛力提供重要的低碳電力來源，并在一些國家減少溫室氣體排放方面發揮作用，然而，核能也面臨着與安全、廢物管理和防擴散問題相關的複雜挑戰，随着社會尋求可持續和安全的能源來源，核能技術的開發和應用仍是一個辯論和研究的主題。
結語
半衰期是了解放射性物質行為的一個基本概念，它在科學、工業和醫學領域有着廣泛的應用，從古代文物的年代測定到確定核反應堆的安全運作等各個領域都有它的貢獻。
參考文獻
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