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來源：互聯網

半衰期（英語：Half-life）別名半壽命。一定量的放射性物質在單位時間內自發地發生衰變的次數，稱作該放射性物質的活度。放射性核素的活度減少至原有值的一半所需的時間，稱為半衰期。半衰期是指某個樣品中一半的原子核發生衰變所需的時間。該術語還更廣泛地用于描述任何類型的指數（或非指數）衰減。例如，在地質學中可以了解地下水運動的信息、考古學可以科學的了解物體所處年代、醫學可以用于器官系統疾病的臨床診斷等。放射性核素衰變的快慢是由原子核內部自身決定的，與外界的物理和化學狀態無關。

1902年麥吉爾大學物理學教授盧瑟福（Ernest Rutherford）發現了放射性元素的半衰期。

半衰期的概念廣泛應用于物理學、化學、地質學、考古學、醫學等領域。在物理學方面可對大量原子核的行為做出統計預測、在化學方面有助于預測反應機理、在地質學中可以深入了解地下水經歷的深部地球化學過程和信息、考古學可以運用碳十四測年法獲悉生物死亡的年代、醫學可以用于器官系統疾病的臨床診斷等。

概述

半衰期是放射性核素的一個特征量，意思是核素的放射性活度減小一半所需的時間。我們觀察的任何一塊物質都包含著很大數目的原子，放射性物質中是大量不穩定原子核，當原子核以發射粒子的形式向外拋出能量后就變成了另外一種原子核，這個過程叫原子核的“衰變”。不穩定核的衰變并不是同時發生的，不穩定核誰先達到發生衰變的狀態是隨機的。但是對于大量的核來說，在某一時刻，單位時間內發生核衰變的數目在統計上有一個確定的份額。

單位時間內發生核衰變的數目叫“放射性活度”（通常都說成“強度”），測量核輻射就可以確定該核素此時的活度。活度減小一半也就是放射性核素的原子核減少了一半。活度的單位是“貝可”（Bq），每秒衰變1次為1貝可。現在人們可以大量制造放射性核素，但要減少它，實際上只有靠它自己衰變，特別是一旦它們進入環境，我們就不能使衰變停止或加速，即無法“滅活”。有的核素半衰期很短，有的很長，幾十年，幾千年，幾百萬年甚至更長都有。

原理

原子的衰變

原子核是一個微小的世界，里面有若干的質子和中子。放射性核素是不穩定的，原子核會自己釋放出質子和中子，并變成另一種元素，達到了一種更穩定的狀態，這種現象就是衰變。半衰期是放射性元素的原子核有半數發生衰變所需要的時間，它反映了放射性元素原子核衰變的快慢。

半衰期的動力學

人們通常最關注的是一級動力學反應的半衰期，所謂一級動力學反應是指反應速率與體系中反應物含量的一次方成正比的反應。

其方程為：

其中，是初始時刻反應物的量，N(t)是t時刻反應物的量。

實際上，不只一級動力學反應有半衰期，其他動力學性質的反應也有半衰期，但是這些反應的半衰期的數值都與體系的初始狀態相關，因而通常不是考查化學動力學性質的重要參數。

對于一個n級反應，半衰期的表達式為：其中的n為反應級數。

簡史

1902年物理學教授（Ernest Rutherford）和來自英國的青年化學家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）合作，第一次發現了放射性元素的半衰期，提出了放射性元素的嬗變理論：放射性原子是不穩定的，它們自發性地放射出射線和能量，而自身衰變成另一種放射性原子，直至成為一種穩定的原子為止。這一理論輕而易舉地解釋了放射性元素為什么會放出巨大能量，并提出了"核能"的概念。導致了對原子內部的新的認識。1903年5月，歐內斯特·盧瑟福和索迪通過實驗指出放射性元素的原子衰變時釋放荷電粒子而變成性質不同的新元素，列出了早期的鐳、、的衰變圖譜。1905年他應用放射性元素的含量及其半衰期，計算出太陽的壽命約為50億年，開創了用放射性元素半衰期計算礦石、古物和天體年紀的先河。之后幾年，盧瑟福和索迪等人進一步研究放射性元素遞次變化（即衰變譜系）的線索，發現鐳是由鈾衰變而成的，鈾的半衰期大約是幾百萬年，鐳的半衰期是1千多年，隨后經歷了半衰期都很短的三個階段，又變成了半衰期較長的放射釙，最后變為穩定元素鉛。索迪因此及對同位素起源和性質研究獲1921年諾貝爾化學獎。

德國科學家奧托·哈恩于1921年在柏林在凱撒威廉化學研究所發現同核異能素。哈恩和他的同事莉澤·邁特納系統地研究了鈾-238衰變到穩定的鉛-206的復雜過程。哈恩發現，他當時稱為UI的鈾-238，可以通過發射α粒子形成UX1(釷-234)，然后通過β衰變，躍遷到UZ(-234的基態)或者UX2(鏷-234的激發態)。換句話說，哈恩發現鏷-234原子核有兩個不同的態：半衰期為7小時的基態和半衰期為1分鐘的激發態，哈恩的工作標志著同核異能素的發現。

直到1932年詹姆斯·查德威克發現中子，同核異能素的概念才被真正理解。1934年，同核異能素一詞才出現在理論物理學家喬治·伽莫夫的論文中。1936年，德國物理學家卡爾·馮·魏茨澤克給出了同核異能素的合理的解釋。他意識到，所有原子核都有角動量或自旋，質子和中子軌道組合，會形成不同的原子核自旋態。這類似于不同原子空間分布的化學異構體。如果激發態與基態的自旋很不相同，它需要很長時間發射γ射線衰變到基態。如鏷-234的兩個態，自旋相差四個單位。這使γ衰變如此之慢，以至激發態更可能發生β衰變。

1940年2月27日在加利福尼亞大學伯克利分校放射性實驗室的馬丁·卡門（Martin Kamen）和塞繆爾·魯賓（Sam Rubin）發現了碳14。1949年Willard Libby和Arnold通過碳14測年方法完成了已知年齡的考古和地質樣品的測定，宣告14C測年方法的創建成功，轟動了整個考古學界和地質學界。Libby也因此在1960年獲得了諾貝爾獎。

1943年紐約大學的戈斯內爾（C.F.Gosnell）在撰寫的博士論文《Obsolescence of books in college libraries》中提出將“半衰期”作為信息老化的指標。而直到1959年，才由著名物理學家（J. D. Bernal）借用原子物理中半衰期的概念，為情報學家修正和發展了“半衰期”的概念。Line在1970也明確將“半衰期”定義為“當前活動文獻的一半在多長時間內發表”。而在1963年，著名文獻計量學家（D. Price）擴大了“半衰期”的適用范圍，指出某一學科文獻的“半衰期”與某一篇（或某一年的）論文的“半衰期”的含義是不同的，前者是相對于被引文獻的數量而言，后者則是相對于引證文獻而言的。

指數衰變

在衰變過程中，不斷由一種核(稱為母核)轉變為另一種核(稱為子核)，同時放出射線。隨著母核數目的減少，放出的射線的強度也必定相應變弱。實驗發現，無論母核數目的減少，還是射線強度的減弱，都遵從指數衰減的規律。

假如在t時刻放射性核素中包含的母核的數目為N，經過了dt時間，母核減少了dN。顯然，母核減少的數目應正比于t時刻母核的數目N，也應正比于衰變經歷的時間dt，于是引入比例系數l后，可寫為下面的等式?-dN = λNdt

比例系數λ稱為衰變常量，表示母核隨時間衰減的快慢，對確定的放射性核素和確定的衰變方式，λ是常量。將公式改寫為

上式中分子是單位時間內發生衰變的原子核數，分母是當時的原子核總數，可見，衰變常量 l也表示一個原子核在單位時間內發生衰變的概率。所以，衰變常量l是放射性核素的一個特征量。對公式積分，可得

式中N0 是t = 0時母核的數目。上式所表示的規律，就是衰變過程所遵從的指數衰減規律。

不同領域

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數發生衰變所需要的時間。在物理學中，半衰期并不能指少數原子，放射性元素的原子核有半數發生衰變所需的時間。衰變是微觀世界里的原子核的行為，而微觀世界規律的特征之一在于“單個的微觀事件是無法預測的”，即對于一個特定的原子，我們只知道它發生衰變的概率，而不知道它將何時發生衰變。然而。量子理論可以對大量原子核的行為做出統計預測。而放射性元素的半衰期，描述的就是這樣的統計規律。

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時所需要的時間被稱為放射性半衰期，符號：t?。又稱半壽命。是放射性核素的原子核經過衰變使本身的數目變為原先的一半所需要的時間，通常用符號t?表示。不同放射性核素的半衰期差異很大，短的只有10（-22）s，長的可達幾十億年。

例如鈾-238的半衰期約為45億年，鈾-235的半衰期為7億年；的半衰期為12.33年；碳-14的半衰期為5730年；鈷60的半衰期為1925天；-99的半衰期僅為65.94小時。半衰期越短，代表其原子核越不穩定。每種放射性核素的半衰期是核素自身的特征。用探測儀器來測量各種放射性核素的半衰期，常作為識別核素的判據之一。

短半衰期的放射性物質擱置一定時間后，其放射性活度降到很低，不致對環境產生影響；但對于長半衰期的放射性核素，有限的時間對其放射性活度的減少幾乎不起作用。因此，核工業尤其要重視對長放射性半衰期核素的使用、運輸和儲存，以防止其對環境的輻射影響。

生物半衰期（Biological half-life）

生物半衰期是衡量一種藥物從體內消除快慢的指標，它反映了藥物在體內的消除速度。由于這一過程發生在生物體內(人或動物)，并且為了與放射性同位素的半衰期相區別，所以稱之為生物半衰期。

藥物半衰期/血漿半衰期/消除半衰期（elimination half life）

藥物的半衰期是指藥物自體內消除一半，或藥物濃度減少50%所需要的時間。藥物的半衰期反映了藥物在體內消除（排泄、生物轉化及儲存等）的速度，表示了藥物在體內的時間與血藥濃度間的關系，它是決定給藥劑量、次數的主要依據，半衰期長的藥物說明它在體內消除慢，給藥的間隔時間就長；反之亦然。消除快的藥物，如給藥間隔時間太長，血藥濃度太低，達不到治療效果。如果一個藥物的半衰期是12小時，意味著在給定劑量的藥物進入體內后，經過大約12小時，體內剩余的藥物量將會減少到初始劑量的一半或藥物濃度降低至最高血藥濃度的一半。

半衰期是一個重要的藥物動力學參數，它影響著藥物在體內的持續時間和藥效。藥物的半衰期越長，藥物在體內的作用時間就越長，給藥間隔時間通常也會相應增加。相反，半衰期較短的藥物需要更頻繁地給予劑量以維持治療效果。

有效半衰期（effectivehalf-life）

有效半衰期指綜合物理半衰期和生物半衰期，體內放射性元素的輻射活度減少一半所需要的時間。

測量方法

直接測量法

利用核物理儀器直接測定放射性同位素的放射性強度隨時間的減少量，因此，又叫做直接測量法，該方法適于半衰期短、放射性強度大（如α衰變）的同位素。

間接測量法

另一種方法是地球化學方法或叫做間接測量法，通過測定已知年齡的礦物中母體與子體含量，利用年齡公式計算獲得。

應用

物理學

1964年由于短半衰期放射性核素99m（Tc）的出現，γ照相機得以廣泛應用，也使核醫學進入了以99m锝（Tc）顯像為主要業務的快速發展時期。?隨著核技術在醫療領域的應用不斷加深以及人類健康水平的不斷提高，分子影像技術作為非侵入性核醫學顯像診斷關鍵技術，主要用于心血管、肝臟、骨科、腎臟和大腦等器官系統疾病的臨床診斷，為“精準醫療”立下了赫赫戰功。

化學

只有符合一級動力學的化學反應才具有穩定的半衰期數據，與核衰變不同的是，化學反應的半衰期數據并非一成不變，而是會受到溫度因素的影響，對于一般的反應，當溫度上升時，反應速率常數會升高，半衰期會相應縮短，反之則會延長。對于一些反應，確定反應的半衰期與溫度的關系，會有助于預測反應機理。

考古學

美國科學家利貝（W. F. Libby）于1949年建立碳十四測年方法，1960年該方法榮獲諾貝爾化學獎。一旦生物死亡，脫離了交換狀態，其體內碳十四水平隨著時間的流逝因衰變而逐漸降低。通過測定生物體中剩余碳十四含量，就可獲悉生物死亡的年代，這是碳十四測年的基本原理。

地質學

2023年中國科學院地質與地球物理學研究所、、組成聯合科研團隊，選擇深層地下水展開年代學研究，并綜合（81）Kr與（36）Cl方法開展精細的定年工作。作為惰性氣體家族一員，（81）Kr的半衰期是23萬年，定年范圍可達130萬年，而且（81）Kr在地下無干擾源、化學性質穩定、不與其他物質發生反應，被看作是十萬到百萬年尺度區間古老地下水的理想。基于兩種方法的結合與對比研究，不僅能得到更精確的地下水年齡數據，還可以根據地下水年齡數據的差異性，找到影響（36）Cl定年結果的重要因素，進而深入了解地下水經歷的深部地球化學過程和信息。

藥學

藥物半衰期對確認藥物分類、確定給藥的時間間隔、預測血藥濃度達穩態的時間、預測藥物基本消除的時間具有臨床意義。。

能源

2023年7月18日俄羅斯國家原子能公司發布公告稱，俄羅斯國立核能研究大學—莫斯科工程物理學院激光和等離子體技術學院的工程師和科學家研制出了一種可工作80年的小型核電池原型。核電池將放射性同位素的衰變能轉化為電能。的一種同位素的半衰期為87年，因此這種電池的壽命也有這么長。該裝置可在數十年時間內安全自動地提供電能且無需充電。這種核電池的功率預計為500瓦，可滿足北極氣象站等設施的供電需求。

參考資料 >

走出半衰期的認識誤區.中國數字科技館.2023-11-24

什么是半衰期?.國家原子能機構.2023-11-29

半衰期的翻譯中文(簡體)-英語詞典.劍橋詞典.2023-12-23

名詞解釋:放射性半衰期-企業官網.中國輻射防護協會.2023-11-24

名詞解釋:放射性半衰期.陜西省核與輻射安全網.2023-11-24

核醫學診斷常用的放射性同位素有什么特點?.四川省國防科學技術工業辦公室.2023-11-24

居里夫人筆記至今仍具放射性還將持續1500年.浙江新聞官網.2023-11-24

人類歷史的時間標尺——碳十四測年方法及其在考古學中的應用.中國社會科學院.2023-11-24

【中國科學報】黃河有了準確生日!.中國科學院.2023-11-24

科學普及-- 中國科學院高能物理研究所.中國科學院.2023-11-24

高考題中燒腦的“衰變”.中國數字科技館.2023-11-24