この実験について
放射性原子核がいつ崩壊するかを予測することはできません。次の1秒後かもしれませんし、千年後かもしれません。しかし、大きな試料では、等しい時間が経過するたびに同じ割合の原子核が崩壊するため、残る原子核の数は一定の割合で何度も半分になります。その時間が半減期です。原子核の試料がランダムに崩壊する様子を観察し、ガイガーカウンターの音を聞いて、結果を滑らかな予測と比べてみましょう。そして、試料が大きいほど曲線に近い結果になる理由を確かめましょう。
学習目標
- 放射性崩壊をランダムな過程として説明する
- 半減期を定義し、崩壊曲線から読み取る
- 半減期が整数回経過した後に残る量を計算する
- 放射能が原子核の数と同じように減少する理由を説明する
- 小さな試料は大きな試料より予測に沿いにくい理由を説明する
使い方
- 1「開始」を押して観察しましょう。次に崩壊する原子核を予測できますか？
- 2「次の半減期」を3回押します。そのたびに残った数を記録し、400、200、100、50と比較します。
- 3原子核を100個にして「新しいサンプル」を数回押します。測定された半減期はどれくらい変化しますか？原子核を1600個にして繰り返します。
- 4グラフを「放射能」に切り替えます。半減期ごとに放射能はどのように変化しますか？
- 5同位体を変更します。グラフの形は変わりますか、それとも時間軸だけが変わりますか？
- 6ガイガーカウンターのクリック音をオンにして、サンプルの崩壊とともに計数率が下がる音を聞きます。
モデル
前提条件
- 各原子核は、単位時間あたり同じ確率で独立に崩壊します。崩壊時刻はシード付き乱数生成器から決まるため、サンプル数が同じなら毎回同じ結果になります。
- 時間は半減期を単位として測定され、選択した同位体に応じて秒、日、または年に換算されます。再生速度によって変わるのは、画面上で時計が進む速さだけです。
- ここでは、崩壊によって生じる生成物は放射性ではありません。ウラン238の崩壊系列のような実際の崩壊系列には、多くの放射性の娘核種が含まれています。
- バックグラウンド放射線はなく、ガイガー計数管はすべての崩壊を検出します。
授業で試してみましょう
- Q1ヨウ素131の試料の放射能は800 Bqです。24日後の放射能はいくらになりますか？
- Q2試料が1％未満になるのは、半減期を何回経過した後ですか？
- Q3ある木片には、生きている木の炭素14の25％が残っています。この木片は何年前のものですか？
- Q4半減期が正確に分かっていても、個々の原子核がいつ崩壊するかを正確に言えないのはなぜですか？
- Q5医療用トレーサーには、半減期の長い同位体ではなく、半減期の短い同位体が使われるのはなぜですか？
よくある質問
原子核は古くなるほど崩壊しやすくなりますか？
いいえ。原子核は年を取りません。次の1秒間に崩壊する確率は、たった今できた原子核でも、10億年前にできた原子核でも同じです。そのため、半減期ごとに同じ割合の原子核が崩壊します。
測定された半減期がちょうど1にならないのはなぜですか？
崩壊はランダムに起こるからです。原子核が100個ある試料では、そのうち50個が崩壊するまでの時間は、試料ごとに異なります。原子核の数が増えるほどばらつきは小さくなります。実際の試料には何十億個もの原子核が含まれているため、ほぼ正確に曲線に従います。
加熱したり圧力をかけたりすると、半減期は変わりますか？
実質的には変わりません。放射性崩壊は原子核の内部で起こるため、通常の温度や圧力、化学反応による影響はほとんどありません。このため、放射性年代測定は信頼できます。