Halveringstijd

De halfwaardetijd ${\displaystyle t_{1/2}}$ geeft de snelheid van een exponentieel vervalproces weer. Als ${\displaystyle N_{0}=N(0)}$ de beginconcentratie van een stof is, wordt de concentratie ${\displaystyle N(t)}$ op het tijdstip ${\displaystyle t}$ gegeven door:

${\displaystyle N(t)=N_{0}\left({\tfrac {1}{2}}\right)^{t/t_{1/2}}}$

Het tegenovergestelde van exponentieel verval is exponentiële groei.

Bij onder andere uiteenvallende atoomkernen gebruikt men de halveringstijd of halfwaardetijd om de stabiliteit aan te geven: stabiele kernen van laag radioactieve stoffen hebben een lange halfwaardetijd terwijl instabiele kernen van hoog radioactieve stoffen een korte halfwaardetijd hebben. Halveringstijden zijn te vinden in tabellen voor het verval van radio-actieve isotopen van atomen maar bijvoorbeeld ook in tabellen die het verloop van de bloedspiegels van medicijnconcentraties of de snelheid van bepaalde chemische reacties weergeven.

Halveringstijd (15 seconde) en vervaltijd (21,6 seconde) bij een exponentieel vervalproces.

Bij kleinere instabiele subatomaire deeltjes gebruikt men meestal de vervaltijd of 1/e–tijd of gemiddelde levensduur. De 1/e–tijd is de tijd waarna er nog 1/e = 1/2,71828 = 36,8% over is. Als symbool hanteert men meestal τ (de Griekse letter tau).

De vervaltijd is 1/ln(2) = 1,4427 maal zo lang als de halveringstijd: τ = 1,4427 t_¹⁄2.

Zo heeft bijvoorbeeld een vrij neutron een halveringstijd van ruim 10 minuten en een vervaltijd van bijna 15 minuten.

Men gebruikt de term halveringstijd bijvoorbeeld om de snelheid van radioactief verval van een radio-isotoop aan te geven. Voorbeeld: tritium (³H) is een instabiel isotoop van waterstof. Tritium-atomen kunnen onder uitstraling van een elektron (men spreekt van β-verval of bètaverval) overgaan in helium-3. Dit is een toevalsproces, met andere woorden voor een enkel atoom is niet te voorspellen wanneer deze omzetting plaats zal vinden. Voor grote aantallen atomen kan men wel een statistische voorspelling doen over de omzettingssnelheid. Men drukt dit uit als de halveringstijd.

De begrippen halveringstijd en vervaltijd zijn nauw verbonden met de kinetiek van eerste-ordeprocessen. In zo'n proces is de afnamesnelheid van een hoeveelheid op ieder moment evenredig met de hoeveelheid ${\displaystyle A_{t}}$ op dat moment, dus:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} A_{t}}{\mathrm {d} t}}=-kA_{t}}$

Hieraan wordt voldaan door:

${\displaystyle A_{t}=A_{0}\,e^{-t/\tau }}$

waarin ${\displaystyle \tau ={\tfrac {1}{k}}}$.

Volgens deze formule vervalt de oorspronkelijke hoeveelheid of concentratie met een factor ${\displaystyle 1/e}$ in een tijd ${\displaystyle \tau }$, de vervaltijd.

Geschreven als macht van 1/2:

${\displaystyle A_{t}=A_{0}\,e^{-t/\tau }=A_{0}\left({\tfrac {1}{2}}\right)^{t/(\tau \ln 2)}=A_{0}\left({\tfrac {1}{2}}\right)^{t/t_{1/2}}}$

In de laatste vorm wordt de hoeveelheid of concentratie gehalveerd in een tijd ${\displaystyle t_{1/2}}$, de halveringstijd, waarvoor dus geldt:

${\displaystyle t_{1/2}=\tau \ln 2}$

of

${\displaystyle \tau \approx 1{,}4427\,t_{1/2}}$

De volgende vervalconstante of desintegratieconstante wordt ook wel gebruikt:

${\displaystyle \lambda ={\frac {\ln 2}{t_{1/2}}}={\frac {1}{\tau }}}$

Dit is van de nog niet vervallen atoomkernen de fractie die per tijdseenheid vervalt (de afnameconstante van de exponentiële afname van wat nog niet vervallen is); de fractie per seconde vermenigvuldigd met het aantal nog niet vervallen atoomkernen is het aantal becquerel (Bq).

Voorbeeld: bij een halfwaardetijd van een jaar is de vervalconstante 2,2 × 10⁻⁸ s⁻¹, vermenigvuldigd met het getal van Avogadro geeft dit 13 PBq/mol.

Een ander geval waarin een 1/e-tijd gebruikt wordt, is het leeglopen van een elektrische condensator met capaciteit C via een draad met weerstand R. De lading op de condensator neemt exponentieel af. Na een tijd τ = RC (de vervaltijd of RC-tijd) is er nog 36,8% (1/e-de deel) van de lading over.