衰变链

在核科学中，衰变链指的是放射性母核素与其衰变形成的一连串子核素所组成的一系列衰变流程。大多数放射性核素并不会直接衰变成稳定的子核素，而是经过一连串的衰变后，最终达到稳定核素为止，这一系列衰变过程称作该母核素的衰变链，而最终形成的稳定核素则称作该衰变链的终点。

衰变阶段的名称取决于它与前后阶段的关系。“母核素”衰变后产生“子核素”。子核素有可能是稳定的，但也可能是不稳定的放射性核素，会继续衰变形成下一个子核素。子核素的子核素称为第二代子核素。

单独一个母原子衰变成一个子原子的时间不定，不但在不同核素的母子原子对中有所不同，而且在同一种核素的母子衰变反应中也有差异。单个原子的衰变是瞬时发生的，但是最初一堆原子在经过时间t后的衰变则由指数分布e^−λt表示，当中的λ称为衰变常数。正因为衰变的指数特征，因此每一种放射性核素都有其半衰期。起初一定数量的相同放射性核素在经过半衰期后，其中的一半会衰变成子核素。放射性核素的半衰期没有已知的时间上下限，范围可以到55个数量级，实验已经测定了数千种放射性核素的半衰期，从几乎马上衰变到10²⁴年以上不等。

自然界中，衰变链中间的衰变阶段往往比最初放射性母核素的衰变具有更强的放射性。当达至平衡之后，第二代子核素的量与其半衰期长度成正比。不过由于其活跃性与半衰期成反比，任何在衰变链中的核素最终都会达到母核素的放射水平。例如，天然铀的放射性并不特别高，但是沥青铀矿的放射性却是它的13倍，因为矿中还包含镭等半衰期更短、放射性更强的子核素。除了镭明显较高的放射性之外，铀衰变链中的下一步会产生氡。氡是一种放射性很强的重惰性气体，会囤积在含有钍或铀的岩石附近的空隙中，如地下室和矿井里。长期接触氡气是导致非吸烟者患上肺癌的最主要原因。^[1]

种类

最常见的三种放射性衰变为：α衰变、β衰变（包括β^-衰变、β⁺衰变和逆β衰变）及γ衰变。其中只有α衰变会改变原子核的质量数（A），并必定把质量数减少四个单位。因此，所有发生α衰变的母核素与其衰变产物的质量数除以四后都会有相同的余数（0、1、2或3），因此可依此将所有核素分为四类，任何可能是衰变链成员的核素都必定源自四条衰变链之一。由于α粒子就是氦-4的原子核，四条链的衰变过程都会产生氦-4。

目前自然界中尚存有三条主要衰变链，分别称作钍衰变系、铀衰变系（或称镭衰变系）和锕衰变系。这些衰变链中的每个核素的质量数可以分别表示为A = 4n、A = 4n + 2和A = 4n + 3。这三条衰变链的长寿母核素分别为钍-232、铀-238和铀-235，在地球形成的时候便已存在。这三条衰变链的最终产物皆为铅的不同稳定同位素。

由于第四条衰变链镎衰变系（A = 4n + 1）的母核素镎-237的半衰期较短（214万年），远小于地球的年龄，因此这条链已经在自然界中衰变殆尽，只剩下最后的限速阶段，也就是铋-209的衰变。这条衰变链的最终产物为稳定的铊-205。某些较老的文献把铋-209列为最终产物，但是2003年的研究指出该核素具有极微弱的放射性，其半衰期长达7019200999999999999♠2.01×10¹⁹ 年。^[2]现今自然界中仍然存在着痕量的镎-237及其衰变产物，这些镎-237是由铀矿中的铀-238 俘获中子产生的。^[3]

另外自然界中也有许多较轻放射性核素的衰变链，如硅-32、锶-90等的衰变链。这些衰变链的初始核素大部分是由宇宙射线产生的，也有一些是1945年以来世界各国的核试验所释放出的。这些较轻的放射性核素几乎都以β^-衰变或β⁺衰变为主要衰变模式，直到最终衰变为稳定核素。

参见

参考资料

^ 存档副本. [2012-03-31]. （原始内容存档于2008-09-20）.
^ Audi, G.; Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S. The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties (PDF). Chinese Physics C. 2017, 41 (3): 030001. Bibcode:2017ChPhC..41c0001A. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
^ Peppard, D. F.; Mason, G. W.; Gray, P. R.; Mech, J. F. Occurrence of the (4n + 1) series in nature (PDF). Journal of the American Chemical Society. 1952, 74 (23): 6081–6084 [2023-08-22]. doi:10.1021/ja01143a074. （原始内容存档 (PDF)于2020-11-14）.

C.M. Lederer, J.M. Hollander, I. Perlman. Table of Isotopes 6th. New York: John Wiley & Sons. 1968.

外部链接

Decay chains （页面存档备份，存于互联网档案馆）
Government website listing isotopes and decay energies
National Nuclear Data Center （页面存档备份，存于互联网档案馆） Freely available databases that can be used to check or construct decay chains. Fully referenced.
The Live Chart of Nuclides - IAEA with decay chains
Decay Chain Finder （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[1] 存档副本. [2012-03-31]. （原始内容存档于2008-09-20）.

[nubase-2] Audi, G.; Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S. The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties (PDF). Chinese Physics C. 2017, 41 (3): 030001. Bibcode:2017ChPhC..41c0001A. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001.

[4n1-3] Peppard, D. F.; Mason, G. W.; Gray, P. R.; Mech, J. F. Occurrence of the (4n + 1) series in nature (PDF). Journal of the American Chemical Society. 1952, 74 (23): 6081–6084 [2023-08-22]. doi:10.1021/ja01143a074. （原始内容存档 (PDF)于2020-11-14）.

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