1.2.3 放射性平衡

1.2.3 放射性平衡

原子核衰变的产物,也就是子核,往往也是不稳定的,衰变会一代一代连续进行下去,直至最后达到平衡为止,这种衰变过程叫作递次衰变或者连续衰变。

我们考虑如下衰变过程:

图示

母核A衰变为子核B,再衰变为二代子核C。三种核素的衰变常量分别为λ1、λ2和λ3;在t时刻,A、B、C的原子核数目分别为N1、N2和N3。在t=0时刻,只有母核A,不存在子核B和二代子核C,即N2(0)=N3(0)=0。

由于子核衰变不影响母核,所以母核衰变规律N1服从指数衰变规律,即:

图示

A核的放射性活度为:

图示

子核B单位时间原子核数目的变图示一方面以λ1N1的速率产生,另一方面以λ2N2的速率减少,即:

图示

由此可得,B核的原子核数目N2有:

图示

B核的放射性活度A2有:

图示

如果第二代子核C是稳定的,那么有λ3=0,则

图示

由此可以看到,当t→∞时,N3→N1(0),母核A逐渐全部衰变为二代子核C。(https://www.daowen.com)

同时,从公式(1.30)我们可以看到,当λ1<λ2时,如果t足够大,也就是经过足够长的时间有e-(λ2-λ1)t≪1,此时有:

图示

或者:

图示

将活度定义带入后,子核和母核的活度有:

图示

由此可见,当时间足够长时,母核和子核间出现暂时平衡,即它们的原子核数目或放射性活度之比为一个固定值(图1.6)。

图示

图1.6 母核和子核间的暂时平衡

当母核的半衰期远远长于子核的半衰期即λ1≪λ2时,母核和子核的原子核数目有:

图示

母核和子核的活度有:

图示

这就是母核和子核间的长期平衡(图1.7)。由此可见,当母核半衰期远远长于子核半衰期时,经过足够长的时间以后,子核活度将趋近于母核活度。

图示

图1.7 母核和子核间的长期平衡

当母核半衰期小于子核的半衰期时,母核按照指数规律较快衰变,而子核原子数目开始为零,随着时间逐步增加,越过极大值后开始较慢地衰变。当时间足够长时,子核按照自身衰变规律衰变。这种情况下,不会出现母核和子核之间的平衡。