衰变链

核科学里，衰变链指的是放射性衰变过程中成链产生的一系列衰变产物。大部分放射性元素并不直接衰变成稳定的状态，而是经过一连串的衰变反应，最终达至稳定的同位素为止。衰变阶段的名称取决于它与前后阶段的关系。“母同位素”衰变后产生“子同位素”。子同位素有可能是稳定的，但也可以继续衰变形成下一个子同位素。子同位素的子同位素称为第二代子同位素。单独一个母原子衰变成一个子原子的时间不定，不但在不同的母子原子对中有所不同，而且在同一种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，因此每一种同位素都有其半衰期。起初一定数量的相同放射性同位素在经过半衰期后，其中的一半会衰变成子同位素。实验已经测定了数千种放射性同位素（或放射性核素）的半衰期，从几乎马上衰变到1019年以上不等。中间的衰变阶段往往比最初放射性同位素的衰变具有更强的放射性。当达至平衡之后，第二代子同位素的量与其半衰期成正比。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同位素的放射水平。例如，自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，因为矿中还包含镭和其他子同位素。除了镭明显较高的放射性之外，衰变链中的下一步会产生氡。氡是一种放射性的重惰性气体，会囤积在含有钍或铀的岩石附近的空隙里，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。最常见的四种放射性衰变为：α衰变、β衰变、逆β衰变（也可看作正电子发射和电子捕获）及同质异构转换。其中只有α衰变会改变原子核的原子量（A），并一定把原子量减少四个单位。因此，所有衰变过程的母同位素与其衰变产物的原子量除以四后都会有相同的余数，把所有核素分为四类。一条可行的衰变链中的每一个核素都一定来自同一类。四类核素衰变时都产生氦-4（α粒子是氦-4的原子核）。三条主衰变链存在于自然中，一般称为钍衰变系、镭衰变系和锕衰变系，各自于铅的一个稳定同位素终止。这些衰变链中的每个同位素的质量数可以分别表示为A = 4n、A = 4n + 2和A = 4n + 3。这三条链半衰期较长的初始同位素分别为钍-232、铀-238和铀-235，并在地球形成的时候便已存在，其中忽略自从1940年代以来的人工同位素及其衰变。钚的同位素钚-244和钚-239也有少量在自然中发现。由于第四条衰变链的初始同位素镎-237的半衰期非常短（214万年），因此镎衰变系A = 4n + 1已经在自然中衰变殆尽，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铊-205。某些较老的文献把铋-209列为最终产物，但是最近的发现指出该同位素具有放射性，其半衰期为7019190000000000000♠1.9×1019 年。另外也有许多较短的衰变链，如碳-14的衰变链。在地球上，这些衰变链的初始同位素大部分是由宇宙射线产生的。