简单百科
半衰期

半衰期

半衰期（英语：Half-life）别名半寿命。一定量的放射性物质在单位时间内自发地发生衰变的次数，称作该放射性物质的活度。放射性核素的活度减少至原有值的一半所需的时间，称为半衰期。半衰期是指某个样品中一半的原子核发生衰变所需的时间。该术语还更广泛地用于描述任何类型的指数（或非指数）衰减。例如，在地质学中可以了解地下水运动的信息、考古学可以科学的了解物体所处年代、医学可以用于器官系统疾病的临床诊断等。放射性核素衰变的快慢是由原子核内部自身决定的，与外界的物理和化学状态无关。

1902年麦吉尔大学物理学教授卢瑟福（Ernest Rutherford）发现了放射性元素的半衰期。

半衰期的概念广泛应用于物理学、化学、地质学、考古学、医学等领域。在物理学方面可对大量原子核的行为做出统计预测、在化学方面有助于预测反应机理、在地质学中可以深入了解地下水经历的深部地球化学过程和信息、考古学可以运用碳十四测年法获悉生物死亡的年代、医学可以用于器官系统疾病的临床诊断等。

概述

半衰期是放射性核素的一个特征量，意思是核素的放射性活度减小一半所需的时间。我们观察的任何一块物质都包含着很大数目的原子，放射性物质中是大量不稳定原子核，当原子核以发射粒子的形式向外抛出能量后就变成了另外一种原子核，这个过程叫原子核的“衰变”。不稳定核的衰变并不是同时发生的，不稳定核谁先达到发生衰变的状态是随机的。但是对于大量的核来说，在某一时刻，单位时间内发生核衰变的数目在统计上有一个确定的份额。

单位时间内发生核衰变的数目叫“放射性活度”（通常都说成“强度”），测量核辐射就可以确定该核素此时的活度。活度减小一半也就是放射性核素的原子核减少了一半。活度的单位是“贝可”（Bq），每秒衰变1次为1贝可。现在人们可以大量制造放射性核素，但要减少它，实际上只有靠它自己衰变，特别是一旦它们进入环境，我们就不能使衰变停止或加速，即无法“灭活”。有的核素半衰期很短，有的很长，几十年，几千年，几百万年甚至更长都有。

原理

原子的衰变

原子核是一个微小的世界，里面有若干的质子和中子。放射性核素是不稳定的，原子核会自己释放出质子和中子，并变成另一种元素，达到了一种更稳定的状态，这种现象就是衰变。半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间，它反映了放射性元素原子核衰变的快慢。

半衰期的动力学

人们通常最关注的是一级动力学反应的半衰期，所谓一级动力学反应是指反应速率与体系中反应物含量的一次方成正比的反应。

其方程为：

其中，是初始时刻反应物的量，N(t)是t时刻反应物的量。

实际上，不只一级动力学反应有半衰期，其他动力学性质的反应也有半衰期，但是这些反应的半衰期的数值都与体系的初始状态相关，因而通常不是考查化学动力学性质的重要参数。

对于一个n级反应，半衰期的表达式为：其中的n为反应级数。

简史

1902年物理学教授（Ernest Rutherford）和来自英国的青年化学家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）合作，第一次发现了放射性元素的半衰期，提出了放射性元素的嬗变理论：放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。这一理论轻而易举地解释了放射性元素为什么会放出巨大能量，并提出了"核能"的概念。导致了对原子内部的新的认识。1903年5月，欧内斯特·卢瑟福和索迪通过实验指出放射性元素的原子衰变时释放荷电粒子而变成性质不同的新元素，列出了早期的镭、、的衰变图谱。1905年他应用放射性元素的含量及其半衰期，计算出太阳的寿命约为50亿年，开创了用放射性元素半衰期计算矿石、古物和天体年纪的先河。之后几年，卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化（即衰变谱系）的线索，发现镭是由铀衰变而成的，铀的半衰期大约是几百万年，镭的半衰期是1千多年，随后经历了半衰期都很短的三个阶段，又变成了半衰期较长的放射钋，最后变为稳定元素铅。索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。

德国科学家奥托·哈恩于1921年在柏林在凯撒威廉化学研究所发现同核异能素。哈恩和他的同事莉泽·迈特纳系统地研究了铀-238衰变到稳定的铅-206的复杂过程。哈恩发现，他当时称为UI的铀-238，可以通过发射α粒子形成UX1(钍-234)，然后通过β衰变，跃迁到UZ(-234的基态)或者UX2(镤-234的激发态)。换句话说，哈恩发现镤-234原子核有两个不同的态：半衰期为7小时的基态和半衰期为1分钟的激发态，哈恩的工作标志着同核异能素的发现。

直到1932年詹姆斯·查德威克发现中子，同核异能素的概念才被真正理解。1934年，同核异能素一词才出现在理论物理学家乔治·伽莫夫的论文中。1936年，德国物理学家卡尔·冯·魏茨泽克给出了同核异能素的合理的解释。他意识到，所有原子核都有角动量或自旋，质子和中子轨道组合，会形成不同的原子核自旋态。这类似于不同原子空间分布的化学异构体。如果激发态与基态的自旋很不相同，它需要很长时间发射γ射线衰变到基态。如镤-234的两个态，自旋相差四个单位。这使γ衰变如此之慢，以至激发态更可能发生β衰变。

1940年2月27日在加利福尼亚大学伯克利分校放射性实验室的马丁·卡门（Martin Kamen）和塞缪尔·鲁宾（Sam Rubin）发现了碳14。1949年Willard Libby和Arnold通过碳14测年方法完成了已知年龄的考古和地质样品的测定，宣告14C测年方法的创建成功，轰动了整个考古学界和地质学界。Libby也因此在1960年获得了诺贝尔奖。

1943年纽约大学的戈斯内尔（C.F.Gosnell）在撰写的博士论文《Obsolescence of books in college libraries》中提出将“半衰期”作为信息老化的指标。而直到1959年，才由著名物理学家（J. D. Bernal）借用原子物理中半衰期的概念，为情报学家修正和发展了“半衰期”的概念。Line在1970也明确将“半衰期”定义为“当前活动文献的一半在多长时间内发表”。而在1963年，著名文献计量学家（D. Price）扩大了“半衰期”的适用范围，指出某一学科文献的“半衰期”与某一篇（或某一年的）论文的“半衰期”的含义是不同的，前者是相对于被引文献的数量而言，后者则是相对于引证文献而言的。

指数衰变

在衰变过程中，不断由一种核(称为母核)转变为另一种核(称为子核)，同时放出射线。随着母核数目的减少，放出的射线的强度也必定相应变弱。实验发现，无论母核数目的减少，还是射线强度的减弱，都遵从指数衰减的规律。

假如在t时刻放射性核素中包含的母核的数目为N，经过了dt时间，母核减少了dN。显然，母核减少的数目应正比于t时刻母核的数目N，也应正比于衰变经历的时间dt，于是引入比例系数l后，可写为下面的等式 -dN = λNdt

比例系数λ称为衰变常量，表示母核随时间衰减的快慢，对确定的放射性核素和确定的衰变方式，λ是常量。将公式改写为

上式中分子是单位时间内发生衰变的原子核数，分母是当时的原子核总数，可见，衰变常量 l也表示一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。所以，衰变常量l是放射性核素的一个特征量。对公式积分，可得

式中N0 是t = 0时母核的数目。上式所表示的规律，就是衰变过程所遵从的指数衰减规律。

不同领域

物理半衰期（Physical half-life）

物理半衰期指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。在物理学中，半衰期并不能指少数原子，放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。衰变是微观世界里的原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于“单个的微观事件是无法预测的”，即对于一个特定的原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不知道它将何时发生衰变。然而。量子理论可以对大量原子核的行为做出统计预测。而放射性元素的半衰期，描述的就是这样的统计规律。

放射性半衰期（radioactive half-time）

一定量的放射性核素的活度降至其初始值一半时所需要的时间被称为放射性半衰期，符号：t½。又称半寿命。是放射性核素的原子核经过衰变使本身的数目变为原先的一半所需要的时间，通常用符号t½表示。不同放射性核素的半衰期差异很大，短的只有10（-22）s，长的可达几十亿年。

例如铀-238的半衰期约为45亿年，铀-235的半衰期为7亿年；的半衰期为12.33年；碳-14的半衰期为5730年；钴60的半衰期为1925天；-99的半衰期仅为65.94小时。半衰期越短，代表其原子核越不稳定。每种放射性核素的半衰期是核素自身的特征。用探测仪器来测量各种放射性核素的半衰期，常作为识别核素的判据之一。

短半衰期的放射性物质搁置一定时间后，其放射性活度降到很低，不致对环境产生影响；但对于长半衰期的放射性核素，有限的时间对其放射性活度的减少几乎不起作用。因此，核工业尤其要重视对长放射性半衰期核素的使用、运输和储存，以防止其对环境的辐射影响。

生物半衰期（Biological half-life）

生物半衰期是衡量一种药物从体内消除快慢的指标，它反映了药物在体内的消除速度。由于这一过程发生在生物体内(人或动物)，并且为了与放射性同位素的半衰期相区别，所以称之为生物半衰期。

药物半衰期/血浆半衰期/消除半衰期（elimination half life）

药物的半衰期是指药物自体内消除一半，或药物浓度减少50%所需要的时间。药物的半衰期反映了药物在体内消除（排泄、生物转化及储存等）的速度，表示了药物在体内的时间与血药浓度间的关系，它是决定给药剂量、次数的主要依据，半衰期长的药物说明它在体内消除慢，给药的间隔时间就长；反之亦然。消除快的药物，如给药间隔时间太长，血药浓度太低，达不到治疗效果。如果一个药物的半衰期是12小时，意味着在给定剂量的药物进入体内后，经过大约12小时，体内剩余的药物量将会减少到初始剂量的一半或药物浓度降低至最高血药浓度的一半。

半衰期是一个重要的药物动力学参数，它影响着药物在体内的持续时间和药效。药物的半衰期越长，药物在体内的作用时间就越长，给药间隔时间通常也会相应增加。相反，半衰期较短的药物需要更频繁地给予剂量以维持治疗效果。

有效半衰期（effectivehalf-life）

有效半衰期指综合物理半衰期和生物半衰期，体内放射性元素的辐射活度减少一半所需要的时间。

测量方法

直接测量法

利用核物理仪器直接测定放射性同位素的放射性强度随时间的减少量，因此，又叫做直接测量法，该方法适于半衰期短、放射性强度大（如α衰变）的同位素。

间接测量法

另一种方法是地球化学方法或叫做间接测量法，通过测定已知年龄的矿物中母体与子体含量，利用年龄公式计算获得。

应用

物理学

1964年由于短半衰期放射性核素99m（Tc）的出现，γ照相机得以广泛应用，也使核医学进入了以99m锝（Tc）显像为主要业务的快速发展时期。随着核技术在医疗领域的应用不断加深以及人类健康水平的不断提高，分子影像技术作为非侵入性核医学显像诊断关键技术，主要用于心血管、肝脏、骨科、肾脏和大脑等器官系统疾病的临床诊断，为“精准医疗”立下了赫赫战功。

化学

只有符合一级动力学的化学反应才具有稳定的半衰期数据，与核衰变不同的是，化学反应的半衰期数据并非一成不变，而是会受到温度因素的影响，对于一般的反应，当温度上升时，反应速率常数会升高，半衰期会相应缩短，反之则会延长。对于一些反应，确定反应的半衰期与温度的关系，会有助于预测反应机理。

考古学

美国科学家利贝（W. F. Libby）于1949年建立碳十四测年方法，1960年该方法荣获诺贝尔化学奖。一旦生物死亡，脱离了交换状态，其体内碳十四水平随着时间的流逝因衰变而逐渐降低。通过测定生物体中剩余碳十四含量，就可获悉生物死亡的年代，这是碳十四测年的基本原理。

地质学

2023年中国科学院地质与地球物理学研究所、、组成联合科研团队，选择深层地下水展开年代学研究，并综合（81）Kr与（36）Cl方法开展精细的定年工作。作为惰性气体家族一员，（81）Kr的半衰期是23万年，定年范围可达130万年，而且（81）Kr在地下无干扰源、化学性质稳定、不与其他物质发生反应，被看作是十万到百万年尺度区间古老地下水的理想。基于两种方法的结合与对比研究，不仅能得到更精确的地下水年龄数据，还可以根据地下水年龄数据的差异性，找到影响（36）Cl定年结果的重要因素，进而深入了解地下水经历的深部地球化学过程和信息。

药学

药物半衰期对确认药物分类、确定给药的时间间隔、预测血药浓度达稳态的时间、预测药物基本消除的时间具有临床意义。。

能源

2023年7月18日俄罗斯国家原子能公司发布公告称，俄罗斯国立核能研究大学—莫斯科工程物理学院激光和等离子体技术学院的工程师和科学家研制出了一种可工作80年的小型核电池原型。核电池将放射性同位素的衰变能转化为电能。的一种同位素的半衰期为87年，因此这种电池的寿命也有这么长。该装置可在数十年时间内安全自动地提供电能且无需充电。这种核电池的功率预计为500瓦，可满足北极气象站等设施的供电需求。