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放射性元素はなぜ決まった規則で(半減期)崩壊するのか

hth********さん

2011/9/2720:14:42

放射性元素はなぜ決まった規則で(半減期)崩壊するのか

元素が一つだと何時崩壊するのか分からない状態になりますが
塊になると、1年で半分崩壊するという仕組みが分かりません
なぜ一斉に崩壊しないのでしょうか?

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ベストアンサーに選ばれた回答

2011/9/2720:35:45

放射性核種は一般に不安定な状態であり、崩壊して安定な元素に向かうわけですが、その不安定な度合いもそれぞれ異なっており、ミリ秒で崩壊に向かうものもあれば、何年も崩壊しないものもあります。このように、それぞれの核種が崩壊し易さ・し難さを有しています。

個々の原子に着目すると、ある瞬間に崩壊するか否かは、確率論的になります。
半減期30年のセシウム137も、今この瞬間に崩壊するものもあれば、ずっと崩壊しないものもあります。

個々の原子ではそうですので、例えば数個ぐらいのセシウム原子があれば、質問者様がおっしゃるように一斉に崩壊することもありえます。しかしながら、それが目に見えるような物質量となってくると何億・何兆を超える膨大な原子数が含まれ、それらの中には、すぐ崩壊するもの・ずっと崩壊しないもの、色々含まれ、全部一気に崩壊することは確率的にありえなくなり、全体として、釣り合いが取れてきます。

そして、核種によって有する崩壊し易さ・し難さにより、半減期の長さとして現れてきます。

例えばサイコロを2個同時に投げた場合は同じ目が揃うこと(つまり一斉に崩壊することに相当)が起こることはたまにありますが、これが4個になると、目が揃うことは至難の業です。増して、100個になるとまず起こりえません。そのようなイメージです。

うまく説明できずにごめんなさい。

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rik********さん

2011/9/2722:53:56

セシウム原子核を、崩壊という行動をとる人間に例えれば、以下の性格です。
(1)気紛れに崩壊する。
(2)周囲に左右されず、自分が崩壊したくなったら崩壊する。
(3)どのセシウム137も全く同じ性格で、気紛れの度合いも同じ。
(4)昔の事を全く覚えていない。年もとらない。
(5)一旦崩壊したら、絶対後戻りしない。
人間でも、こんな性格の人が大量にいたら、放射性核種と同じ法則で崩壊して減っていきます。

「大量」が重要なので、こんな人間が1億人いたとします。全員共通の気紛れの度合いを、1日の崩壊気分が 1/100 とします。
最初の1日で約1/100の 100万人くらいが崩壊し、9900万人くらいになります。ただ、一人一人が気紛れなので1000人位多かったり少なかったりします。希にですが、かなり少ない日もあります。
さて日数が経過して、もう 1 万人しか残っていません。この日に崩壊する人は、やっぱり約 1/100 で 100人位。10人くらいばらつきます。気紛れなので必ず「くらい」がつきます。
残った1万人は「もう疲れたから、崩壊しよう」なんて考えません。ただただ、1/100 の気紛れだけで崩壊します。
もちろん「ここまで崩壊しなかった、根性モンが揃っている」なんて事もありません。相変わらず 1/100 の気紛れで崩壊します。
つまり、常に同じ割合で崩壊して減ります。
残っている人数が少なければ、崩壊する人数も少ない。常に同じ割合で。

「いつまでも同じ性格。全員同じ性格。」を物理的に言い換えると「セシウム137は全て同じ」時間も場所も過去も関係無しという事。

返って解り難かったですか?

chi********さん

2011/9/2721:08:10

回答が一部重複するかも知れませんが、

超有名となってしまったセシウム137ならそれでもかまいません。 ヨウ素131でもかまいません。 純粋な放射性物質の塊があると考えて見ましょう。 個々の原子が崩壊するのは気まぐれです。 いつ崩壊するかは誰にも分かりません。 数秒後かも知れませんが、10億年後かも知れません。 まさに気まぐれで、そもそも放射性物質を原子でみるとそう言うものなのです。 しかし、塊として見て、核が崩壊する様子を観察すると、規則性が見えるんですね。 グラフにすると、指数関数的です。 この結果から、確率論的な説明ができると考えられるようになり、半減期と言う考え方を編み出したのです。

別に特別な仕組みがあって半分づつ崩壊しているわけではありません。 あくまで確率の話。

私もサイコロを例に出させてもらいますが、6つの目が出る確率は等しいですよね。 実際にサイコロを振ると、3が連続するときもあります。 でも、数をこなせば、目が出る確率が等しいことが明らかになります。 では、サイコロの目が等しく出る仕組みは何でしょう。 正六面体だからと言う答えが出てそうですが、正六面体だと、なぜ等しい確率になるのでしょう。 その説明は困難です。

放射性物質の半減期も、実験の結果から導き出された法則であって、なぜかと聞かれても誰も答えられないのです。

世の中には演繹的な説明が困難で、確率論的にしか説明できないことがたくさんあります。 もっとも親しい例が量子力学です。これがないと半導体は作れず、コンピュータも作れません。 電子1個の動きを追っても半導体の動作は説明できないのです。 まさに電子の動きを確率論的に考えないといけない世界です。

放射性物質の半減期もそんな確率の世界で見出されたもののひとつです。

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