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从衰变图求半衰期

曲线很平滑,题目看起来简单,但很容易读错坐标轴,或者读错时间间隔。

本页内容
  1. 曲线告诉我们什么?
  2. 一步一步怎么读?
  3. 例题
  4. 要留意的错误
  5. 自我检测
  6. 接下来学什么

要从图上求半衰期,先选一个计数率,找出它的一半,再读出曲线上这两点之间的时间差。这个时间差就是半衰期,从哪里开始读结果都一样。只要题目给出衰变曲线,或给出计数率对时间的表格,就会用到。

如果读数含有本底,要先扣除,方法见从给定计数中扣除本底辐射。本课属于半衰期与本底辐射。

曲线告诉我们什么?

纵轴是修正后的计数率,横轴是时间。曲线起初下降很陡,后来变平缓,但在所画的范围内不会到零。这个形状来自每个相同时间段内,都有固定比例的原子核衰变。

因为比例固定,曲线上任何位置减半所需的时间都相同。这正是判断半衰期图的方法:从 200 降到 100 与从 100 降到 50 所需时间一样。

一步一步怎么读?

  1. 检查坐标轴和单位。 看清时间的单位是秒、分钟、小时、天还是年。
  2. 选一个起始值,选容易读的,例如时间为零时的值。
  3. 把它减半,并在纵轴上标出。
  4. 向右读到曲线,再向下读到时间轴,两个点都要读。
  5. 两个时间相减。 这个差才是半衰期,而不是较晚那个时间本身。
  6. 用第二组点验证。 两个时间差应该相同。

例题

(虚构数据。)用本底为 5 counts/min 的探测器测量某放射源。下表给出测得的读数和修正后的计数率。

时间(分钟)测得值(counts/min)修正值(counts/min)
0205200
8105100
165550
243025

第 1 步: 使用修正值。从 0 分钟时的 200 counts/min 开始。

第 2 步: 200 的一半是 100。曲线在 8 分钟时到达 100 counts/min。

第 3 步: 时间差为 8 − 0 = 8 分钟。

检查: 从 100 降到 50 counts/min,时间从 8 分钟到 16 分钟,又是 8 分钟。从 50 降到 25,时间从 16 分钟到 24 分钟,也是 8 分钟。三个相等的时间差,确认半衰期是 8 分钟。

在平滑曲线上,你也可以从 150 counts/min 开始,减半到 75。这两点大约在 3.3 分钟和 11.3 分钟,时间差 8.0 分钟,说明起点不影响结果。你可以用图形模型与残差探索器来试这样的曲线。

要留意的错误

有学生看着同一张图,写下:

错误答案: 半衰期 = 100 counts/min

学生正确读出了 200 的一半,却停在纵轴,把这个值当作答案。

半衰期是一个时间,所以答案必须来自横轴,并带时间单位。

另一个失误是直接写较晚的时间(8 分钟),没有减去起始时间;这只有在从零点出发时才碰巧正确。纠正方法是读出两个时间,再取差。速率与能量图形解读器提供更多读轴和单位的练习。

自我检测

1. 修正计数率从时间零点的 480 counts/s 降到 12 小时后的 240 counts/s。半衰期是多少?

查看答案

240 是 480 的一半,时间差为 12 − 0 = 12 小时。

2. 一条曲线在 5 分钟时经过 80 counts/min,在 20 分钟时经过 40 counts/min。半衰期是多少?

查看答案

40 是 80 的一半。时间差 = 20 − 5 = 15 分钟。

3. 测得计数率图从 90 counts/min 开始,本底为 10 counts/min。测得计数率在 6 天后降到 50 counts/min。半衰期是多少?

查看答案

修正后的起始值 = 90 − 10 = 80 counts/min。6 天时的修正值 = 50 − 10 = 40 counts/min,正好是 80 的一半。半衰期是 6 天。

接下来学什么

会读半衰期之后,就可以用它预测剩余量,见对给定时间间隔连续减半。如果“从图到答案”这一步常常丢分,我们的老师可以在一对一线上物理补习中帮你练习。

常见问题

什么是半衰期(half-life)?

半衰期是放射性样本的计数率(或未衰变的原子核数目)降到起始值一半所需的时间,也是现有原子核中一半发生衰变所需的时间。它用时间单位表示,例如秒、小时或年。

读半衰期一定要从时间零点开始吗?

不用。从曲线上任何一点出发,计数率减半所需的时间都一样。选一个容易读的值,在纵轴上找到它的一半,再读出两点之间的时间差。用第二组点验证,可以确认答案。

该用修正后的计数率还是测得的计数率?

用已经扣除本底的修正计数率。如果图中是测得的计数率,先从纵轴数值中减去本底值。直接把测得值减半会得到错误的时间,因为本底不会衰变。

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下一步

如果在课堂上读图没问题,遇到陌生题就出错,一对一的老师可以给你新的图,并把每个读数和你的推理逐一核对。

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