반감기

반감기(半減期, half-life)란 어떤 양이 초기 값의 절반이 되는데 걸리는 시간이다. 원개념은 방사성 붕괴에서 기인한 것이나, 현재는 여러 다른 분야에서도 쓰이고 있다.

반감기 진행 횟수	잔여량 비율 (백분율)
0	100%
1	50%
2	25%
3	12.5%
4	6.25%
5	3.125%
6	1.5625%
7	0.78125%
...	...
N	$\frac{100 %}{2^{N}}$
...	...

반감기(t1⁄2)는 어떠한 물질의 양이 초기값의 절반이 되는데 걸리는 시간이다. 이 용어는 불안정한 원자들이 얼마나 빠른 속도로 핵분열을 하는지를 설명하기 위하여 핵물리학에서 빈번히 사용되지만, 임의의 지수함수적 붕괴를 논하는데 더 일반적으로 사용된다. 오른쪽 표를 보면 반감기가 몇 번 경과했는가에 따라 '어떤 양'이 어떻게 감소하는지 알 수 있다.

반감기의 확률적 특성

상자당 4 원자(좌측)이나 400 원자(우측)으로 시작하는, 방사성 붕괴가 진행 중인 수많은 동일한 원자들의 시뮬레이션. 상단에 있는 숫자는 거친 반감기 횟수를 의미한다. 큰 수의 법칙의 결과를 참고: 원자의 수가 많을수록, 전반적인 붕괴 양상이 더 규칙적이고 예측적이다.

지수함수적 붕괴의 대상이 되는 양은 일반적으로 N으로 나타낸다. (이는 붕괴하는 양을 나타내는 수가 이산적임을 암시한다. 이 해석은 지수함수적 붕괴의 여러 경우에 유효하나, 모든 경우에 유효한 것은 아니다.) 양을 N으로 나타낼 때, 시간 t에서의 N의 값은 다음 수식으로 나타낸다.

지수함수적 붕괴의 반감기에 대한 식

지수함수적 붕괴는 소개된 3가지 동일한 공식 중 그 어떠한 것으로도 설명이 가능하다:

\begin{matrix} N (t) & = N_{0} {(\frac{1}{2})}^{\frac{t}{t_{\frac{1}{2}}}} \\ N (t) & = N_{0} e^{- \frac{t}{τ}} \\ N (t) & = N_{0} e^{- λ t} \end{matrix}

여기에서

N₀ 은 붕괴를 거칠 물질의 양의 초기값 (이 양은 그램, 몰수, 원자의 수 등으로 측정될 수 있다.),
N(t)은 시간 t 경과 후에 붕괴되지 않고 남아있는 물질의 양,
t_1⁄2 은 붕괴 중인 양의 반감기,
$τ$ 은 붕괴 중인 물질의 평균 수명 시간,
$λ$ 은 붕괴 중인 물질의 붕괴 상수이다.

세 변수 $t_{\frac{1}{2}}$ , $τ$ , 그리고 $λ$ 는 주어진 식과 같은 관계를 가진다:

t_{\frac{1}{2}} = \frac{\ln (2)}{λ} = τ \ln (2)

이 관계식을 적절히 조작함으로써, 반감기의 면에서 지수함수적 붕괴에 관해 동일한 설명을 얻는다. :

\begin{matrix} N (t) & = N_{0} {(\frac{1}{2})}^{t / t_{\frac{1}{2}}} \\ N (t) & = N_{0} e^{- \frac{t}{τ}} \\ N (t) & = N_{0} e^{- λ t} \end{matrix}

식이 어떠하던 간에, 식을 적절히 조합하여 다음과 같은 정보를 얻을 수 있다:

$N (0) = N_{0}$ ("초기값"의 정의)
$N (t_{\frac{1}{2}}) = \frac{1}{2} N_{0}$ (반감기의 정의)
$lim_{t \to \infty} N (t) = 0$ ; t 가 무한으로 발산함에 따라 잔여량은 0에 수렴한다(많은 시간이 흐를수록, 작은 양이 남게 된다).

t=0일 때 지수함수 부분이 1이 되어 N(t)는 $N_{0}$ 와 같아진다. t가 무한히 커질 때, 지수함수 부분은 0에 가까워진다.

여기에서 다음과 같은 특정한 $t_{1 / 2}$ 가 존재하는데, :

N (t_{1 / 2}) = N_{0} \cdot \frac{1}{2}

이것을 위의 공식에 대입하면 :

N_{0} \cdot \frac{1}{2} = N_{0} e^{- λ t_{1 / 2}}

e^{- λ t_{1 / 2}} = \frac{1}{2}

- λ t_{1 / 2} = \ln \frac{1}{2} = - \ln 2

t_{1 / 2} = \frac{\ln 2}{λ}

그러므로 반감기는 평균 수명의 약 69.3%가 된다.

같이 보기

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참고 자료

Nucleonica.net, Nuclear Science Portal
Nucleonica.net 보관됨 2011-07-23 - 웨이백 머신, wiki: Decay Engine
Bucknell.edu, System Dynamics – Time Constants
Subotex.com, Half-Life elimination of drugs in blood plasma – Simple Charting Tool

외부 링크

위키미디어 공용에 반감기 관련 미디어 분류가 있습니다.
위키낱말사전에 half-life 관련 글이 있습니다.