โซ่ของการสลายตัว

ในฟิสิกส์นิวเคลียร์ ห่วงโซ่การสลาย (อังกฤษ: Decay chain) คือ การสลายให้กัมมันตรังสีของผลผลิตจากการสลายที่มีกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียร เป็นกระบวนการที่ต่อเนื่องแบบห่วงโซ่ของการเปลี่ยนแปลงไอโซโทปของผลผลิตนั้น กระบวนการเปลี่ยนแปลงเป็นห่วงโซ่นี้บางครั้งเรียกว่า "การลดหลั่นของกัมมันตรังสี" (อังกฤษ: radioactive cascades) 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 (อังกฤษ: radionuclide)) ครึ่งชีวิตเหล่านี้สามารถมีช่วงเวลาจากเกือบทันทีจนนานมากถึง 10¹⁹ 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

ชนิด

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

รูปแบบการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาของหมู่แอกทิไนด์

รูปแบบทอเรียม

รูปแบบทอเรียมนี้เกิดจากการที่ไอโซโทป สลายตัวเป็น แล้วก็สลายตัวต่อไปเรื่อยจนเป็น ด้วยวิธีการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาเป็นส่วนใหญ่

nuclide	ชื่อดั้งเดิม (สั้น)	ชื่อดั้งเดิม (ยาว)	รูปแบบการสลายตัว	ครึ่งชีวิต (a=ปี)	energy released, MeV	ผลิตภัณฑ์ของการสลายตัว
			α	2.645 a	6.1181
^248Cm			α	3.4×10^5 a	5.162
^244Pu			α	8×10^7 a	4.589
^240U			β^−	14.1 h	.39
^240Np			β^−	1.032 h	2.2
^240Pu			α	6561 a	5.1683
^236U			α	2.3×10^7 a	4.494
^232Th	Th	ทอเรียม	α	1.405×10^10 a	4.081
^228Ra	MsTh1	เมโซทอเรียม 1	β^−	5.75 a	0.046
^228Ac	MsTh2	เมโซทอเรียม 2	β^−	6.25 ชม.	2.124
^228Th	RdTh	เรดิโอทอเรียม	α	1.9116 a	5.520
^224Ra	ThX	ทอเรียม X	α	3.6319 วัน	5.789
^220Rn	Tn	ทอรอน, ทอเรียม อิมาเนชั่น	α	55.6 วินาที	6.404
^216Po	ThA	ทอเรียม A	α	0.145 วินาที	6.906
^212Pb	ThB	ทอเรียม B	β^−	10.64 ชม.	0.570
^212Bi	ThC	ทอเรียม C	β^− 64.06% α 35.94%	60.55 นาที	2.252 6.208
^212Po	ThC′	ทอเรียม C′	α	299 นาโนวินาที	8.955
^208Tl	ThC″	ทอเรียม C″	β^−	3.053 นาที	4.999	^208Pb
^208Pb	ThD	ทอเรียม D	เสถียร	.	.	.

1. http://www.epa.gov/radon/