ห่วงโซ่การสลาย

ในฟิสิกส์นิวเคลียร์ ห่วงโซ่การสลาย () คือ การสลายให้กัมมันตรังสีของผลผลิตจากการสลายที่มีกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียร เป็นกระบวนการที่ต่อเนื่องแบบห่วงโซ่ของการเปลี่ยนแปลงไอโซโทปของผลผลิตนั้น กระบวนการเปลี่ยนแปลงเป็นห่วงโซ่นี้บางครั้งเรียกว่า "การลดหลั่นของกัมมันตรังสี" () ไอโซโทปรังสีส่วนใหญ่จะไม่สลายตัวโดยตรงไปสู่สถานะที่เสถียร แต่มีการสลายตัวโดยลำดับจนกระทั่งในที่สุดไอโซโทปนั้นจะเสถียร

ขั้นตอนการสลายตัวจะขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ของพวกมันที่มีต่อขั้นตอนก่อนหน้านี้หรือขั้นตอนถัดไป ไอโซโทปพ่อแม่เป็นพวกที่มีการสลายจนกลายเป็นไอโซโทปลูกสาว หนึ่งในตัวอย่างนี้คือยูเรเนียม (เลขอะตอม 92) สลายกลายเป็นทอเรียม (เลขอะตอม 90) ไอโซโทปลูกสาวอาจจะเสถียรหรืออาจจะสลายต่อไปเป็นไอโซโทปลูกสาวของตัวมันเอง ไอโซโทปลูกสาวของลูกสาวบางครั้งเรียกว่าไอโซโทปหลานสาว

เวลาที่ใช้สำหรับอะตอมพ่อแม่หนึ่งตัวที่จะสลายไปเป็นอะตอมหนึ่งตัวของไอโซโทปลูกสาวของมันอาจแตกต่างกันไปอย่างกว้างขวาง ไม่เพียงแต่สำหรับห่วงโซ่พ่อ-ลูกที่แตกต่างกันเท่านั้น แต่ยังสำหรับการจับคู่ที่เหมือนกันของไอโซโทปของพ่อแม่และลูกสาวอีกด้วย ในขณะที่การสลายตัวของอะตอมเดี่ยวจะเกิดขึ้นตามธรรมชาติ การสลายตัวของประชากรเริ่มต้นของอะตอมที่เหมือนกันในช่วงเวลา t ตามด้วยการกระจายของการสลายแบบเอ๊กโปเนนเชียล e-λt เมื่อ λ เป็นค่าคงที่การสลายตัว เนื่องจากธรรมชาติของเอ๊กโปเนนเชียลนี้ หนึ่งในคุณสมบัติของไอโซโทปคือครึ่งชีวิตของมัน ครึ่งชีวิตเป็นเวลาที่ครึ่งหนึ่งของจำนวนเริ่มต้นของไอโซโทปรังสีผู้พ่อแม่ที่เหมือนกันได้มีการสลายตัวไปเป็นลูกสาวของพวกมัน ครึ่งชีวิตได้มีการกำหนดในห้องปฏิบัติการสำหรับหลายพันของไอโซโทปรังสี (หรือนิวไคลด์รังสี ()) ครึ่งชีวิตเหล่านี้สามารถมีช่วงเวลาจากเกือบทันทีจนนานมากถึง 10 ปีหรือมากกว่า

ในขั้นตอนกลางแต่ละช่วง จะมีการปล่อยกัมมันตภาพรังสีจำนวนเดียวกันกับไอโซโทปดั้งเดิม (แต่ไม่ใช่พลังงานเดียวกัน) เมื่อมีความสมดุล ไอโซโทปหลานจะปรากฏให้เห็นในสัดส่วนโดยตรงกับครึ่งชีวิตของมัน แต่เนื่องจากกิจกรรมของมันเป็นสัดส่วนผกผันกับครึ่งชีวิตของมัน นิวไคลด์แต่ละตัวในห่วงโซ่การสลายในที่สุดก็ก่อให้เกิดกัมมันตภาพรังสีมากเท่ากับส่วนหัวของห่วงโซ่ แม้ว่าจะไม่ใช่พลังงานเดียวกัน ยกตัวอย่างเช่นยูเรเนียม-238 มีกัมมันตรังสีอย่างอ่อน แต่ pitchblende ซึ่งเป็นแร่ยูเรเนียมดิบ มีกัมมันตรังสีมากกว่าเป็น 13 เท่าของโลหะยูเรเนียมบริสุทธิ์ในปริมาณที่เท่ากันเพราะมันประกอบด้วยเรเดียมและไอโซโทปลูกสาวอื่น ๆ. ไอโซโทปของเรเดียมที่ไม่เสถียรไม่เพียงแต่เป็นตัวปลดปล่อยกัมมันตภาพรังสีที่มีนัยสำคัญเท่านั้น แต่ในขั้นตอนต่อไปในห่วงโซ่การสลายพวกมันยังสร้างเรดอนซึ่งเป็นก๊าซกัมมันตรังสีที่หน​​ัก, เฉื่อย, และเกิดขึ้นตามธรรมชาติอีกด้วย หินที่มีทอเรียมและ/หรือยูเรเนียม (เช่นหินแกรนิตบางก้อน) ปล่อยก๊าซเรดอนที่สามารถสะสมในสถานที่ปิดล้อมเช่นใต้ดินหรือเหมืองใต้ดิน การเปิดรับเรดอนถูกพิจารณาว่าเป็นสาเหตุของโรคมะเร็งปอดในผู้ไม่สูบบุหรี่

การสลายตัวของไอโซโทปนั้นมี 3 ชนิด ได้แก่การสลายให้อนุภาคแอลฟา, การสลายให้อนุภาคบีตา, การจับยึดอิเล็กตรอน และการเคลื่อนย้ายไอโซเมอร์ ในการสลายตัวทั้งหมดนั้นมีการสลายให้อนุภาคแอลฟาซึ่งเป็นการลดจำนวนมวลอะตอมลงไป 4 แล้วก็ลดเลขอะตอมไป 2 เพราะอนุภาคแอลฟานั้นประกอบด้วย โปรตอน 2 โปรตอน และ นิวตรอน 2 นิวตรอน มีมวลอะตอม 4 และมีเลขอะตอมอยู่ 2 ซึ่งดูคล้ายกับไอโซโทปของฮีเลียม-4 ส่วนการสลายตัวให้อนุภาคบีตานั้นจะมำให้เลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 เท่านั้น
การสลายตัว 3 รูปแบบหลัก ได้แก่ รูปแบบทอเรียม รูปแบบเรเดียม และ รูปแบบแอกทิเนียม ซึ่งรูปแบบทั้งสามจะไปจบที่ตะกั่ว หรือไม่ก็แทลเลียม
รูปแบบทอเรียมนี้เกิดจากการที่ไอโซโทปแคลิฟอร์เนียม-252 สลายตัวเป็นคูเรียม-248 แล้วก็สลายตัวต่อไปเรื่อยจนเป็นตะกั่ว-208 ด้วยวิธีการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาเป็นส่วนใหญ่