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衰变链
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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。
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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]