การสลายตัวของกัมมันตรังสี (หรือที่รู้จักกันในชื่อการสลายตัวของนิวเคลียร์กัมมันตภาพรังสีการแตกตัวของกัมมันตรังสีหรือการแตกตัวของนิวเคลียร์ ) คือกระบวนการที่นิวเคลียสอะตอมที่ ไม่เสถียร สูญเสียพลังงานโดยการแผ่รังสีวัสดุที่มีนิวเคลียสที่ไม่เสถียรถือว่าเป็นกัมมันตรังสีการสลายตัวที่พบได้บ่อยที่สุดสามประเภท ได้แก่ การ สลายตัว แบบอัลฟาเบตาและแกมมาแรงอ่อนเป็นกลไกที่รับผิดชอบต่อการสลายตัวแบบเบตา ในขณะที่อีกสองประเภทนั้นถูกควบคุมโดย แรง แม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์^{[ 1 ]}

การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีเป็น กระบวนการ สุ่มในระดับอะตอมเดี่ยว ตามทฤษฎีควอนตัมเป็นไปไม่ได้ที่จะทำนายว่าอะตอมใดจะสลายตัวเมื่อใด ไม่ว่าอะตอมนั้นจะมีอยู่มานานแค่ไหนก็ตาม^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}อย่างไรก็ตาม สำหรับอะตอมที่เหมือนกันจำนวนมาก อัตราการสลายตัวโดยรวมสามารถแสดงได้ในรูปของค่าคงที่การสลายตัวหรือครึ่งชีวิตครึ่งชีวิตของอะตอมกัมมันตรังสีมีช่วงกว้างมาก ตั้งแต่เกือบจะเกิดขึ้นทันทีไปจนถึงนานกว่าอายุของจักรวาลมาก

นิวเคลียสที่สลายตัวเรียกว่านิวไคลด์กัมมันตรังสี ต้นกำเนิด (หรือไอโซโทปกัมมันตรังสี ต้นกำเนิด ) และกระบวนการนี้จะสร้างนิวไคลด์ลูก อย่างน้อยหนึ่งชนิด ยกเว้นการสลายตัวแบบแกมมาหรือการแปลงภายใน จาก สถานะกระตุ้นของนิวเคลียสการสลายตัวเป็นการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์ ที่ส่งผลให้เกิดนิวไคลด์ลูกที่มีจำนวน โปรตอนหรือนิวตรอน (หรือทั้งสองอย่าง) แตกต่างกันเมื่อจำนวนโปรตอนเปลี่ยนแปลงจะเกิด อะตอมของ ธาตุเคมี ที่แตกต่างกันขึ้น

บนโลกมีธาตุเคมีที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ 28 ชนิดที่เป็นกัมมันตรังสี ประกอบด้วยไอโซโทปกัมมันตรังสี 35 ชนิด (ธาตุเจ็ดชนิดมีไอโซโทปกัมมันตรังสีสองชนิดที่แตกต่างกัน) ซึ่งมีอายุเก่าแก่กว่าการก่อตัวของระบบสุริยะไอโซโทปกัมมันตรังสีทั้ง 35 ชนิดนี้เรียกว่าไอโซโทปกัมมันตรังสีดั้งเดิมตัวอย่างที่รู้จักกันดีคือยูเรเนียมและทอเรียมแต่ยังรวมถึงไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีอายุยืนยาวที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ เช่นโพแทสเซียม-40 ด้วย ไอโซโทปกัมมันตรังสีดั้งเดิมที่มีน้ำหนักมากแต่ละชนิดมีส่วนร่วมในห่วงโซ่การสลายตัวหนึ่งในสี่ห่วงโซ่

อองรี ปวงกาเรได้วางรากฐานสำหรับการค้นพบกัมมันตภาพรังสีผ่านความสนใจและการศึกษาเกี่ยวกับรังสีเอ็กซ์ซึ่งมีอิทธิพลอย่างมากต่อนักฟิสิกส์อองรี เบคเคอเรล [ ^{5 ] กัมมันตภาพรังสี}ถูกค้นพบในปี 1896 โดยเบคเคอเรล และโดยอิสระโดยมารี กูรีขณะที่กำลังทำงานกับวัสดุเรืองแสง^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}วัสดุเหล่านี้จะเรืองแสงในที่มืดหลังจากได้รับแสง และเบคเคอเรลสงสัยว่าแสงเรืองที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทดจากรังสีเอ็กซ์อาจเกี่ยวข้องกับฟอสฟอเรสเซนซ์ เขาห่อแผ่นฟิล์มถ่ายภาพ ด้วยกระดาษสีดำและวาง เกลือเรืองแสงต่างๆลงบนแผ่นฟิล์ม ผลลัพธ์ทั้งหมดเป็นลบจนกระทั่งเขาใช้ เกลือ ยูเรเนียมเกลือยูเรเนียมทำให้แผ่นฟิล์มดำคล้ำแม้ว่าแผ่นฟิล์มจะถูกห่อด้วยกระดาษสีดำก็ตาม^{[ 11 ] : 48} คูรีตั้งชื่อรังสีว่าrayons de Becquerelหรือ "รังสีเบคเคอเรล" และแสดงให้เห็นว่ารังสีเหล่านี้เป็นคุณสมบัติของอะตอม^{[ 11 ] : 54}

แม้ว่ารังสีเอกซ์จะถูกผลิตขึ้นโดยใช้พลังงานไฟฟ้า แต่แหล่งพลังงานสำหรับการแผ่รังสีนั้นยังคงเป็นปริศนา ในปี ค.ศ. 1899 จูเลียส เอลสเตอร์และฮันส์ ไกเทลได้ทำการทดลองที่สำคัญเพื่อค้นหาแหล่งพลังงานสำหรับการแผ่รังสี โดยไม่รวมการสกัดพลังงานจากอากาศโดยการวัดในสุญญากาศ และการสกัดพลังงานจากอวกาศโดยการวัดที่ระดับความลึก 300 เมตรในเหมืองในเทือกเขาฮาร์ซ^{[ 11 ] : 100} หากอะตอมเองเป็นแหล่งพลังงาน นั่นหมายความว่าอะตอมที่ดูเหมือนจะไม่เปลี่ยนแปลงจะต้องถูกเปลี่ยนแปลงเมื่อปล่อยรังสีออกมา ในปี ค.ศ. 1900 คูรีได้สรุปปริศนาของการแผ่รังสีว่าเป็นทางเลือกระหว่างสองความเป็นไปได้ที่ไม่น่าจะเป็นไปได้เท่าๆ กัน คือ พลังงานไม่ได้รับการอนุรักษ์ หรือธาตุทางเคมีสามารถเปลี่ยนรูปได้^{[ 11 ] : 112}

รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นคนแรกที่ตระหนักว่าธาตุทั้งหมดสลายตัวตามสูตรเลขชี้กำลังทางคณิตศาสตร์เดียวกัน รัทเทอร์ฟอร์ดและเฟรเดอริก ซอดดี นักศึกษาของเขา เป็นคนแรกที่ตระหนักว่ากระบวนการสลายตัวหลายอย่างส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของธาตุหนึ่งไปเป็นอีกธาตุหนึ่ง ต่อมากฎการแทนที่กัมมันตรังสีของฟาจานส์และซอดดีได้รับการกำหนดขึ้นเพื่ออธิบายผลผลิตของการสลายตัวแบบอัลฟาและเบตา^{[ 12 ] [ 13 ]}

นักวิจัยยุคแรกยังค้นพบว่า นอกจากยูเรเนียมแล้ว ธาตุเคมี อื่นๆ อีกหลายชนิด ก็มีไอโซโทปรังสีเช่นกัน การค้นหาปริมาณรังสีทั้งหมดในแร่ยูเรเนียมอย่างเป็นระบบยังนำทางให้ปิแอร์และมารี กูรีแยกธาตุใหม่สองชนิดออกมาได้ คือโพลoniumและเรเดียมยกเว้นเรื่องรังสีของเรเดียมแล้ว ความคล้ายคลึงทางเคมีของเรเดียมกับแบเรียมทำให้ยากต่อการแยกแยะธาตุทั้งสองนี้ออกจากกัน

มารีและปิแอร์ กูรี ยังบัญญัติศัพท์คำว่า "กัมมันตภาพรังสี" ^{[ 14 ]}เพื่อกำหนดการปล่อยรังสีไอออนไนซ์โดยธาตุหนักบางชนิด^{[ 15 ]} (ต่อมาคำนี้ถูกขยายความให้ครอบคลุมธาตุทั้งหมด) การวิจัยของพวกเขาเกี่ยวกับรังสีทะลุทะลวงในยูเรเนียมและการค้นพบเรเดียมได้เปิดศักราชของการใช้เรเดียมในการรักษาโรคมะเร็ง การสำรวจเรเดียมของพวกเขาสามารถมองได้ว่าเป็นการใช้พลังงานนิวเคลียร์อย่างสันติครั้งแรกและเป็นจุดเริ่มต้นของเวชศาสตร์นิวเคลียร์สมัยใหม่^{[ 14 ]}

อันตรายจากรังสีไอออนไนซ์เนื่องจากกัมมันตภาพรังสีและรังสีเอ็กซ์นั้นยังไม่เป็นที่ตระหนักในทันที

การค้นพบรังสีเอกซ์โดยวิลเฮล์ม รอนต์เกนในปี 1895 นำไปสู่การทดลองอย่างแพร่หลายโดยนักวิทยาศาสตร์ แพทย์ และนักประดิษฐ์ หลายคนเริ่มเล่าเรื่องราวเกี่ยวกับการถูกไฟไหม้ ผมร่วง และอาการที่แย่กว่านั้นในวารสารทางเทคนิคตั้งแต่ปี 1896 ในเดือนกุมภาพันธ์ของปีนั้น ศาสตราจารย์แดเนียลและดร.ดัดลีย์แห่งมหาวิทยาลัยแวนเดอร์บิลต์ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการฉายรังสีเอกซ์ที่ศีรษะของดัดลีย์ ซึ่งส่งผลให้เขาผมร่วง รายงานของดร.เอชดี ฮอว์กส์ เกี่ยวกับการถูกไฟไหม้ที่มือและหน้าอกอย่างรุนแรงในการสาธิตรังสีเอกซ์ เป็นรายงานฉบับแรกจากรายงานอื่นๆ อีกมากมายใน^Electrical Review [ ^{16 ]}

นักทดลองคนอื่นๆ รวมถึงElihu ThomsonและNikola Teslaก็รายงานถึงการไหม้เช่นกัน Thomson จงใจให้นิ้วสัมผัสกับหลอดเอ็กซ์เรย์เป็นระยะเวลานานและประสบกับความเจ็บปวด บวม และเป็นแผลพุพอง^{[ 17 ]}ผลกระทบอื่นๆ รวมถึงรังสีอัลตราไวโอเลตและโอโซน บางครั้งก็ถูกกล่าวโทษว่าเป็นสาเหตุของความเสียหาย^{[ 18 ]}และแพทย์หลายคนยังคงอ้างว่าไม่มีผลกระทบใดๆ จากการสัมผัสรังสีเอ็กซ์เลย^{[ 17 ]}

ถึงกระนั้น ก็มีการตรวจสอบอันตรายอย่างเป็นระบบในระยะแรกๆ และตั้งแต่ปี ค.ศ. 1902 วิลเลียม เฮอร์เบิร์ต โรลลินส์ได้เขียนอย่างสิ้นหวังว่าคำเตือนของเขาเกี่ยวกับอันตรายจากการใช้รังสีเอ็กซ์อย่างไม่ระมัดระวังนั้น ไม่ได้รับการใส่ใจจากทั้งภาคอุตสาหกรรมและเพื่อนร่วมงานของเขา ในเวลานั้น โรลลินส์ได้พิสูจน์แล้วว่ารังสีเอ็กซ์สามารถฆ่าสัตว์ทดลองได้ สามารถทำให้หนูตะเภาที่ตั้งครรภ์แท้งลูกได้ และสามารถฆ่าทารกในครรภ์ได้ เขายังเน้นย้ำว่า "สัตว์แต่ละตัวมีความไวต่อการกระทำภายนอกของแสงเอ็กซ์แตกต่างกัน" และเตือนว่าควรพิจารณาความแตกต่างเหล่านี้เมื่อทำการรักษาผู้ป่วยด้วยรังสีเอ็กซ์

อย่างไรก็ตาม ผลกระทบทางชีวภาพของรังสีเนื่องจากสารกัมมันตรังสีนั้นประเมินได้ยากกว่า ทำให้แพทย์และบริษัทหลายแห่งมีโอกาสทำการตลาดสารกัมมันตรังสีในฐานะยาที่จดสิทธิบัตรตัวอย่างเช่น การรักษา ด้วยการสวนทวาร ด้วยเรเดียม และน้ำที่มีเรเดียมสำหรับดื่มเป็นยาบำรุง มารี คูรี คัดค้านการรักษาประเภทนี้ โดยเตือนว่า "เรเดียมเป็นอันตรายหากอยู่ในมือของผู้ที่ไม่ชำนาญ" ^{[ 19 ]}ต่อมาคูรีเสียชีวิตจากโรคโลหิตจางชนิดอะพลาสติกซึ่งน่าจะเกิดจากการได้รับรังสีไอออนไนซ์ ในช่วงทศวรรษที่ 1930 หลังจากเกิดกรณีกระดูกตายและการเสียชีวิตของผู้ที่ชื่นชอบการรักษาด้วยเรเดียมหลายราย ผลิตภัณฑ์ยาที่มีเรเดียมเป็นส่วนประกอบจึงถูกถอนออกจากตลาดเป็นส่วนใหญ่ ( การหลอกลวงด้วยสารกัมมันตรังสี )

เพียงหนึ่งปีหลังจากที่รอนต์เกนค้นพบรังสีเอ็กซ์ วิศวกรชาวอเมริกันวูล์ฟรัม ฟุคส์ (ค.ศ. 1896) ได้ให้คำแนะนำด้านการป้องกันรังสีเป็นครั้งแรก แต่กว่า จะมีการจัด ประชุมนานาชาติว่าด้วยรังสีวิทยา (ICR) ครั้งแรกและพิจารณากำหนดมาตรฐานการป้องกันรังสีในระดับสากลก็ต้องรอจนถึงปี ค.ศ. 1925 ผลกระทบของรังสีต่อยีน รวมถึงผลกระทบต่อความเสี่ยงมะเร็ง ได้รับการยอมรับในภายหลัง ในปี ค.ศ. 1927 เฮอร์มันน์ โจเซฟ มุลเลอร์ได้ตีพิมพ์งานวิจัยที่แสดงให้เห็นถึงผลกระทบทางพันธุกรรม และในปี ค.ศ. 1946 เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์จากผลการค้นพบของเขา

การประชุม ICR ครั้งที่สองจัดขึ้นที่สตอกโฮล์มในปี 1928 และได้เสนอให้มีการนำ หน่วย รอนต์เกนมา ใช้ และ ได้มีการจัดตั้ง คณะกรรมการคุ้มครองรังสีเอกซ์และเรเดียมระหว่างประเทศ (IXRPC) ขึ้น โดย มี รอล์ฟ ซีเวอร์ทเป็นประธาน แต่ผู้ที่มีบทบาทสำคัญคือจอร์จ เคย์จากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์แห่งชาติ ของอังกฤษ คณะกรรมการได้ประชุมกันในปี 1931, 1934 และ 1937

หลังสงครามโลกครั้งที่สองขอบเขตและปริมาณของสารกัมมันตรังสีที่ถูกจัดการเพิ่มขึ้นอันเป็นผลมาจากโครงการนิวเคลียร์ทางทหารและพลเรือน ทำให้กลุ่มคนงานและประชาชนจำนวนมากอาจได้รับรังสีไอออนไนซ์ในระดับที่เป็นอันตราย เรื่องนี้ได้รับการพิจารณาในการประชุม ICR ครั้งแรกหลังสงครามที่จัดขึ้นในลอนดอนในปี 1950 ซึ่งเป็น ที่มา ของคณะกรรมาธิการระหว่างประเทศว่าด้วยการป้องกันรังสี (ICRP) ในปัจจุบัน ^{[ 20 ]} ตั้งแต่นั้นมา ICRP ได้พัฒนาระบบการป้องกันรังสีระหว่างประเทศในปัจจุบัน ซึ่งครอบคลุมทุกแง่มุมของอันตรายจากรังสี

หน่วยวัดกัมมันตภาพรังสีในระบบหน่วยสากล (SI) คือเบคเคอเรล (Bq) ซึ่งตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์อองรี เบคเคอเรลหนึ่ง Bq เท่ากับหนึ่งการเปลี่ยนแปลง (หรือการสลายตัวหรือการแตกตัว) ต่อวินาที

หน่วยวัดกัมมันตภาพรังสีแบบเก่าคือคูรี (Ci) ซึ่งเดิมทีนิยามไว้ว่า "ปริมาณหรือมวลของการปล่อยรังสีเรเดียมที่อยู่ในสมดุล กับ เรเดียม (ธาตุ) หนึ่งกรัม" ^{[ 21 ]}ปัจจุบัน คูรีถูกนิยามไว้ดังนี้3.7 × 10¹⁰ การสลาย ^ตัวต่อวินาที ดังนั้น 1  คูรี (Ci) =3.7 × 10 ¹⁰  Bqสำหรับวัตถุประสงค์ในการป้องกันรังสี แม้ว่าคณะกรรมการกำกับดูแลนิวเคลียร์แห่งสหรัฐอเมริกาจะอนุญาตให้ใช้หน่วยคูรีควบคู่ไปกับหน่วย SI ^{[ 22 ]}แต่คำสั่งหน่วยวัดของสหภาพยุโรปกำหนดให้ ต้องเลิกใช้เพื่อ "วัตถุประสงค์ด้านสาธารณสุข" ภายในวันที่ 31 ธันวาคม พ.ศ. 2528 ^{[ 23 ]}

โดยทั่วไป ผลกระทบจากรังสีไอออนไนซ์จะวัดเป็นหน่วยเกรย์สำหรับความเสียหายทางกล หรือหน่วยซีเวอร์ตสำหรับความเสียหายต่อเนื้อเยื่อ

การสลาย ตัวของสารกัมมันตรังสีส่งผลให้มวลรวมลดลงเมื่อพลังงานที่ปล่อยออกมา ( พลังงานการสลายตัว ) หลุดออกไปในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง แม้ว่า บางครั้ง พลังงานการสลายตัวจะถูกกำหนดว่าเกี่ยวข้องกับความแตกต่างระหว่างมวลของผลิตภัณฑ์นิวไคลด์ดั้งเดิมและมวลของผลิตภัณฑ์จากการสลายตัว แต่สิ่งนี้เป็นจริงเฉพาะกับการวัดมวลนิ่งเท่านั้น ซึ่งพลังงานบางส่วนได้ถูกกำจัดออกจากระบบผลิตภัณฑ์แล้ว นี่เป็นความจริงเพราะพลังงานการสลายตัวจะต้องมีมวลติดตัวไปด้วยเสมอ ไม่ว่ามันจะปรากฏที่ใด (ดู^มวลในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ) ตามสูตรE  =  mc²พลังงานการสลายตัวถูกปล่อยออกมาในตอนแรกในรูปของพลังงานของโฟตอนที่ปล่อยออกมาบวกกับพลังงานจลน์ของอนุภาคที่มีมวลที่ปล่อยออกมา (นั่นคืออนุภาคที่มีมวลนิ่ง) หากอนุภาคเหล่านี้เข้าสู่สมดุลทางความร้อนกับสิ่งแวดล้อมและโฟตอนถูกดูดซับ พลังงานการสลายตัวก็จะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ซึ่งยังคงมีมวลอยู่

ดังนั้น พลังงานการสลายตัวจึงยังคงสัมพันธ์กับมวลของระบบการสลายตัวในระดับหนึ่ง เรียกว่ามวลไม่เปลี่ยนแปลงซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างการสลายตัว แม้ว่าพลังงานการสลายตัวจะกระจายไปในอนุภาคที่สลายตัวก็ตาม พลังงานของโฟตอน พลังงานจลน์ของอนุภาคที่ปล่อยออกมา และต่อมา พลังงานความร้อนของสสารโดยรอบ ล้วนมีส่วนทำให้เกิดมวลไม่เปลี่ยนแปลงของระบบ ดังนั้น ในขณะที่ผลรวมของมวลนิ่งของอนุภาคไม่ได้รับการอนุรักษ์ในการสลายตัวของกัมมันตรังสี มวล ของระบบและมวลไม่เปลี่ยนแปลงของระบบ (รวมถึงพลังงานรวมของระบบ) จะได้รับการอนุรักษ์ตลอดกระบวนการสลายตัวใดๆ นี่เป็นการกล่าวซ้ำกฎการอนุรักษ์พลังงานและการอนุรักษ์มวลที่ เทียบเท่ากัน

นักวิจัยยุคแรกพบว่า สนาม ไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กสามารถแยกการปล่อยรังสีออกเป็นลำแสงสามประเภทเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดตั้งชื่อลำแสงทั้งสามประเภทว่าอัลฟาเบตาและแกมมาตามลำดับความสามารถในการทะลุทะลวงสสารที่เพิ่มขึ้น^{[ 24 ] :} การสลายตัวแบบอัลฟาพบได้เฉพาะในธาตุหนักที่มีเลขอะตอม 52 ( เทลลูเรียม ) ขึ้นไป ยกเว้นเบริลเลียม-8 (ซึ่งสลายตัวเป็นอนุภาคอัลฟา 2 อนุภาค) รังสีแกมมาถูกปล่อยออกมาจากสถานะกระตุ้นของนิวเคลียสเป็นผลข้างเคียงของการสลายตัวแบบอัลฟาหรือเบตา^{[ 25 ]}การสลายตัวแบบเบตาเป็นประเภทเดียวที่พบได้ในทุกธาตุ ตะกั่วเลขอะตอม 82 เป็นธาตุที่หนักที่สุดที่มีไอโซโทปที่เสถียร (จนถึงขีดจำกัดของการวัด) ต่อการสลายตัวของกัมมันตรังสี การสลายตัวของกัมมันตรังสีพบได้ในไอโซโทปทั้งหมดของธาตุทั้งหมดที่มีเลขอะตอม 83 ( บิสมัท ) ขึ้นไป อย่างไรก็ตาม บิสมัท-209มีกัมมันตภาพรังสีเพียงเล็กน้อยมาก โดยมีครึ่งชีวิตยาวนานกว่าอายุของจักรวาลถึงสิบเท่า ไอโซโทปรังสีที่มีครึ่งชีวิตยาวนานมากถือว่ามีความเสถียรในทางปฏิบัติ

จากการวิเคราะห์ลักษณะของผลิตภัณฑ์จากการสลายตัว เห็นได้ชัดจากทิศทางของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำต่อรังสีโดยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าภายนอกว่า อนุภาคอัลฟาจะมีประจุบวก อนุภาคเบตาจะมีประจุลบ และรังสีแกมมาเป็นกลาง จากขนาดของการเบี่ยงเบน เห็นได้ชัดว่าอนุภาคอัลฟามีมวลมากกว่าอนุภาคเบตา มาก การส่งผ่านอนุภาคอัลฟาผ่านหน้าต่างกระจกบางๆ และดักจับพวกมันไว้ในหลอดปล่อยประจุทำให้นักวิจัยสามารถศึกษาคลื่นสเปกตรัมการปล่อยของอนุภาคที่ถูกดักจับ และในที่สุดก็พิสูจน์ได้ว่าอนุภาคอัลฟาคือ นิวเคลียส ของฮีเลียมการทดลองอื่นๆ แสดงให้เห็นว่ารังสีเบตาซึ่งเกิดจากการสลายตัวและรังสีแคโทด นั้นเป็น อิเล็กตรอนความเร็วสูงในทำนองเดียวกัน พบว่ารังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์เป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงาน สูง

ความสัมพันธ์ระหว่างประเภทของการสลายตัวก็เริ่มได้รับการตรวจสอบเช่นกัน ตัวอย่างเช่น การสลายตัวแบบแกมมามักพบว่าเกี่ยวข้องกับการสลายตัวประเภทอื่น ๆ และเกิดขึ้นในเวลาเดียวกันหรือหลังจากนั้น การสลายตัวแบบแกมมาในฐานะปรากฏการณ์แยกต่างหากที่มีครึ่งชีวิตของตัวเอง (ปัจจุบันเรียกว่าการเปลี่ยนไอโซเมอร์ ) พบว่าในกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติเป็นผลมาจากการสลายตัวแบบแกมมาของไอโซเมอร์นิวเคลียร์ กึ่งเสถียร ที่ถูกกระตุ้น ซึ่งถูกสร้างขึ้นจากการสลายตัวประเภทอื่น ๆ แม้ว่ารังสีอัลฟา เบตา และแกมมาจะพบได้บ่อยที่สุด แต่ในที่สุดก็มีการค้นพบการปล่อยรังสีประเภทอื่น ๆ ไม่นานหลังจากที่ค้นพบโพซิตรอนในผลิตภัณฑ์รังสีคอสมิก ก็ได้ตระหนักว่ากระบวนการเดียวกันกับที่เกิดขึ้นในการสลายตัวแบบเบตาแบบคลาสสิกสามารถผลิตโพซิตรอน ( การปล่อยโพซิตรอน ) พร้อมกับนิวตริโน (การสลายตัวแบบเบตาแบบคลาสสิกผลิตแอนตินิวตริโน) ได้เช่นกัน

ในการสลายตัวแบบจับอิเล็กตรอน พบว่านิวไคลด์ที่มีโปรตอนมากบางชนิดจับอิเล็กตรอนอะตอมของตัวเองแทนที่จะปล่อยโพซิตรอน และต่อมานิวไคลด์เหล่านี้จะปล่อยเพียงนิวตริโนและรังสีแกมมาออกมาจากนิวเคลียสที่อยู่ในสถานะกระตุ้น (และบ่อยครั้งก็ปล่อยอิเล็กตรอนออเกอร์และรังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ ออกมาด้วย ซึ่งเป็นผลมาจากการจัดเรียงอิเล็กตรอนใหม่เพื่อเติมเต็มตำแหน่งของอิเล็กตรอนที่ถูกจับไป) การสลายตัวประเภทนี้เกี่ยวข้องกับการจับอิเล็กตรอนของนิวเคลียสหรือการปล่อยอิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน และด้วยเหตุนี้จึงทำให้นิวเคลียสมีอัตราส่วนของนิวตรอนต่อโปรตอนต่ำที่สุดสำหรับจำนวนนิวคลีออน ทั้งหมดที่กำหนด ส่งผลให้ได้นิวเคลียสที่มีเสถียรภาพมากขึ้น (พลังงานต่ำลง)

กระบวนการสมมติของการจับโพซิตรอน ซึ่งคล้ายกับการจับอิเล็กตรอน เป็นไปได้ในทางทฤษฎีในอะตอมปฏิสสาร แต่ยังไม่ได้รับการสังเกต เนื่องจากอะตอมปฏิสสารที่ซับซ้อนกว่าแอนติฮีเลียมยังไม่สามารถหาได้จากการทดลอง^{[ 26 ]}การสลายตัวดังกล่าวจะต้องใช้อะตอมปฏิสสารที่มีความซับซ้อนอย่างน้อยเท่ากับเบริลเลียม-7ซึ่งเป็นไอโซโทปที่เบาที่สุดของสสารปกติที่ทราบกันว่าสลายตัวโดยการจับอิเล็กตรอน^{[ 27 ]}

ไม่นานหลังจากที่ค้นพบนิวตรอนในปี 1932 เอนริโก เฟอร์มิตระหนักว่าปฏิกิริยาการสลายตัวแบบเบตาที่หายากบางอย่างจะให้ผลผลิตนิวตรอนออกมาทันทีในฐานะอนุภาคการสลายตัวเพิ่มเติม ซึ่งเรียกว่าการปล่อยนิวตรอน แบบเบตาหน่วงเวลา การปล่อยนิวตรอนมักเกิดขึ้นจากนิวเคลียสที่อยู่ในสถานะกระตุ้น เช่น^17O * ที่ถูกกระตุ้นซึ่งเกิดจากการสลายตัวแบบเบตาของ^17Nกระบวนการปล่อยนิวตรอนนั้นถูกควบคุมโดยแรงนิวเคลียร์ดังนั้นจึงเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก บางครั้งเรียกว่า "เกือบจะทันที" ในที่สุดก็มีการสังเกต การปล่อยโปรตอน แบบแยกเดี่ยว ในบางธาตุ นอกจากนี้ยังพบว่าธาตุหนักบางชนิดอาจเกิดการแตกตัวแบบธรรมชาติเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีองค์ประกอบแตกต่างกัน ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการสลายตัวแบบคลัสเตอร์พบว่ามีการรวมตัวกันของนิวตรอนและโปรตอนเฉพาะกลุ่มที่ไม่ใช่อนุภาคอัลฟา (นิวเคลียสของฮีเลียม) ถูกปล่อยออกมาจากอะตอมโดยธรรมชาติ

มีการค้นพบการสลายตัวของกัมมันตรังสีประเภทอื่นที่ปล่อยอนุภาคที่เคยพบเห็นมาก่อน แต่ผ่านกลไกที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นการแปลงภายใน (internal conversion ) ซึ่งส่งผลให้เกิดการปล่อยอิเล็กตรอนในขั้นต้น จากนั้นมักจะ มีการปล่อย รังสีเอกซ์และอิเล็กตรอนออเกอร์ ตามมา แม้ว่ากระบวนการแปลงภายในจะไม่เกี่ยวข้องกับการสลายตัวแบบเบตาหรือแกมมาก็ตาม ไม่มีการปล่อยนิวตริโน และไม่มีอิเล็กตรอนหรือโฟตอนที่ปล่อยออกมาใดๆ มาจากนิวเคลียส แม้ว่าพลังงานที่ใช้ในการปล่อยอนุภาคเหล่านั้นจะมาจากนิวเคลียสก็ตาม การสลายตัวแบบแปลงภายใน เช่นเดียวกับ การสลายตัว แบบแกมมาของการเปลี่ยนไอโซเมอร์และการปล่อยนิวตรอน เกี่ยวข้องกับการปลดปล่อยพลังงานโดยนิวไคลด์ที่อยู่ในสถานะกระตุ้น โดยไม่มีการเปลี่ยนธาตุหนึ่งไปเป็นอีกธาตุหนึ่ง

เหตุการณ์หายากที่เกี่ยวข้องกับการรวมกันของเหตุการณ์ประเภทการสลายตัวแบบเบตา 2 เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นพร้อมกันนั้นเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว (ดูด้านล่าง) กระบวนการสลายตัวใดๆ ที่ไม่ละเมิดกฎการอนุรักษ์พลังงานหรือโมเมนตัม (และอาจรวมถึงกฎการอนุรักษ์อนุภาคอื่นๆ) ก็สามารถเกิดขึ้นได้ แม้ว่าจะยังไม่สามารถตรวจพบได้ทั้งหมดก็ตาม ตัวอย่างที่น่าสนใจซึ่งจะกล่าวถึงในส่วนสุดท้าย คือการสลายตัวแบบเบตาของสถานะผูกพันของรีเนียม-187ในกระบวนการนี้ การสลายตัวของอิเล็กตรอนแบบเบตาของนิวไคลด์ต้นกำเนิดจะไม่มาพร้อมกับการปล่อยอิเล็กตรอนแบบเบตา เนื่องจากอนุภาคเบตาถูกจับไว้ในเปลือก K ของอะตอมที่ปล่อยอนุภาคออกมา อนุภาคแอนตินิวตริโนจะถูกปล่อยออกมา เช่นเดียวกับการสลายตัวแบบเบตาเชิงลบทั้งหมด

หากสภาวะพลังงานเอื้ออำนวย นิวไคลด์กัมมันตรังสีหนึ่งๆ อาจสลายตัวได้หลายรูปแบบที่แข่งขันกัน โดยบางอะตอมสลายตัวไปตามเส้นทางหนึ่ง และบางอะตอมสลายตัวไปตามอีกเส้นทางหนึ่ง ตัวอย่างเช่นทองแดง-64ซึ่งมีโปรตอน 29 ตัว และนิวตรอน 35 ตัว สลายตัวด้วยครึ่งชีวิต (หมายเหตุ: คำว่า "copper-64" ในบริบทนี้หมายถึง การสลายตัวของนิวเคลียส)12.7004(13)ชั่วโมง^{[ 28 ]}ไอโซโทปนี้มีโปรตอนที่ไม่จับคู่หนึ่งตัวและนิวตรอนที่ไม่จับคู่หนึ่งตัว ดังนั้นโปรตอนหรือนิวตรอนสามารถสลายตัวเป็นอนุภาคอื่นที่มีไอโซสปิน ตรงข้ามได้ นิวไคลด์เฉพาะนี้ (แม้ว่าจะไม่ใช่นิวไคลด์ทั้งหมดในสถานการณ์นี้) มีแนวโน้มที่จะสลายตัวผ่านการสลายตัวแบบเบตาพลัส (61.52(26) % ^{[ 28 ]} ) มากกว่าผ่านการจับอิเล็กตรอน (38.48(26) % ^{[ 28 ]} ) สถานะพลังงานกระตุ้นที่เกิดจากการสลายตัวเหล่านี้ซึ่งไม่สิ้นสุดในสถานะพลังงานพื้นฐาน ยังก่อให้เกิดการแปลงภายในและการสลายตัวแกมมา ในภายหลัง เกือบ 0.5% ของเวลา

นิวไคลด์ลูกที่เกิดจากการสลายตัวอาจไม่เสถียร (กัมมันตรังสี) ในกรณีนี้ มันก็จะสลายตัวต่อไปและปล่อยรังสีออกมา นิวไคลด์ลูกตัวที่สองที่เกิดขึ้นก็อาจเป็นกัมมันตรังสีได้เช่นกัน ซึ่งอาจนำไปสู่ลำดับของการสลายตัวหลายครั้งที่เรียกว่าห่วงโซ่การสลายตัว (ดูบทความนี้สำหรับรายละเอียดเฉพาะของห่วงโซ่การสลายตัวตามธรรมชาติที่สำคัญ) ในที่สุดก็จะเกิดนิวไคลด์ที่เสถียรขึ้น นิวไคลด์ลูกใดๆ ที่เป็นผลมาจากการสลายตัวแบบอัลฟาจะส่งผลให้เกิดอะตอมฮีเลียมขึ้นด้วย

สารกัมมันตรังสีบางชนิดอาจมีเส้นทางการสลายตัวได้หลายแบบ ตัวอย่างเช่น35.94(6) % ^{[ 28 ]}ของบิสมัท-212สลายตัวผ่านการปล่อยอัลฟาไปเป็นแทลเลียม-208ในขณะที่64.06(6) % ^{[ 28 ]}ของบิสมัท-212สลายตัวผ่านการปล่อยเบต้าเป็นโพโลเนียม-212ทั้งแทลเลียม-208และโพโลเนียม-212เป็นผลิตภัณฑ์ลูกสาวกัมมันตรังสีของบิสมัท-212 และทั้งสองสลายตัวโดยตรงเป็นตะกั่ว-208ที่ เสถียร

ตามทฤษฎีบิ๊กแบงไอโซโทปเสถียรของธาตุที่เบาที่สุดสามชนิด ( H , He และLi ในปริมาณ เล็กน้อย) ถูกสร้างขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ หลังจากการกำเนิดของจักรวาล ในกระบวนการที่เรียกว่าการสังเคราะห์นิวเคลียสบิ๊กแบงนิวไคลด์เสถียรที่เบาที่สุดเหล่านี้ (รวมถึงดิวเทอเรียม ) ยังคงอยู่จนถึงปัจจุบัน แต่ไอโซโทปกัมมันตรังสีใดๆ ของธาตุเบาที่เกิดขึ้นในบิ๊กแบง (เช่นทริเทียม ) ได้สลายตัวไปนานแล้ว ไอโซโทปของธาตุที่หนักกว่าโบรอนไม่ได้ถูกสร้างขึ้นเลยในบิ๊กแบง และธาตุห้าชนิดแรกนี้ไม่มีไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีอายุยืนยาว ดังนั้น นิวเคลียสกัมมันตรังสีทั้งหมดจึงค่อนข้างอายุน้อยเมื่อเทียบกับการกำเนิดของจักรวาล โดยเกิดขึ้นในภายหลังในกระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียส ประเภทอื่นๆ ในดาวฤกษ์ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งซูเปอร์โนวา ) และในระหว่างปฏิสัมพันธ์อย่างต่อเนื่องระหว่างไอโซโทปเสถียรและอนุภาคพลังงานสูง ตัวอย่างเช่นคาร์บอน-14ซึ่งเป็นนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตเพียง5700(30)ปี^{[ 28 ]}เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในชั้นบรรยากาศตอนบนของโลกเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างรังสีคอสมิกและไนโตรเจน

นิวไคลด์ที่เกิดจากการสลายตัวของกัมมันตรังสีเรียกว่านิวไคลด์กัมมันตรังสีไม่ว่าตัวมันเองจะเสถียรหรือไม่ก็ตาม มีนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่เสถียรซึ่งเกิดขึ้นจากนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่สูญพันธุ์ไปแล้วซึ่งมีอายุ สั้น ในระบบสุริยะยุคแรก^{[ 29 ] [ 30 ]}การมีอยู่ของนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่เสถียรเหล่านี้ (เช่น ซีนอน-129 จากไอโอดีน-129 ที่สูญพันธุ์ไปแล้ว ) เมื่อเทียบกับนิวไคลด์ที่เสถียร ดั้งเดิม สามารถอนุมานได้ด้วยวิธีการต่างๆ

การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีถูกนำมาใช้ในเทคนิคการติดฉลากด้วยไอโซโทปกัมมันตรังสีซึ่งใช้ในการติดตามการเคลื่อนที่ของสารเคมีผ่านระบบที่ซับซ้อน (เช่นสิ่งมี ชีวิต ) โดยจะสังเคราะห์ตัวอย่างของสารนั้นขึ้นมาด้วยความเข้มข้นสูงของอะตอมที่ไม่เสถียร การมีอยู่ของสารนั้นในส่วนใดส่วนหนึ่งของระบบจะถูกกำหนดโดยการตรวจจับตำแหน่งของการสลายตัว

โดยอาศัยสมมติฐานที่ว่าการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีเป็นแบบสุ่ม อย่างแท้จริง (ไม่ใช่เพียงแค่ความอลหม่าน ) จึงมีการนำไปใช้ในเครื่องกำเนิดเลขสุ่มแบบฮาร์ดแวร์เนื่องจากกระบวนการนี้ไม่เชื่อว่ากลไกจะเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเวลาผ่านไป จึงเป็นเครื่องมือที่มีค่าในการประมาณอายุที่แท้จริงของวัสดุบางชนิด สำหรับวัสดุทางธรณีวิทยา ไอโซโทปกัมมันตรังสีและผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวบางส่วนจะถูกกักไว้เมื่อหินแข็งตัว และสามารถนำมาใช้ในภายหลัง (โดยอยู่ภายใต้ข้อจำกัดที่รู้จักกันดีหลายประการ) เพื่อประมาณวันที่ของการแข็งตัว ซึ่งรวมถึงการตรวจสอบผลลัพธ์ของกระบวนการที่เกิดขึ้นพร้อมกันหลายกระบวนการและผลิตภัณฑ์ของกระบวนการเหล่านั้นเทียบกันภายในตัวอย่างเดียวกัน ในทำนองเดียวกัน และอยู่ภายใต้ข้อจำกัดเช่นกัน อัตราการเกิดของคาร์บอน-14 ในยุคต่างๆ วันที่ของการก่อตัวของสารอินทรีย์ภายในช่วงเวลาที่สัมพันธ์กับครึ่งชีวิตของไอโซโทปอาจถูกประมาณได้ เนื่องจากคาร์บอน-14 จะถูกกักไว้เมื่อสารอินทรีย์เจริญเติบโตและดูดซับคาร์บอน-14 ใหม่จากอากาศ หลังจากนั้น ปริมาณคาร์บอน-14 ในสารอินทรีย์จะลดลงตามกระบวนการย่อยสลาย ซึ่งสามารถตรวจสอบยืนยันได้โดยอิสระด้วยวิธีการอื่น (เช่น การตรวจสอบคาร์บอน-14 ในวงปีของต้นไม้แต่ละต้น เป็นต้น)

ปรากฏการณ์ Szilard–Chalmers คือการแตกของพันธะเคมีอันเป็นผลมาจากพลังงานจลน์ที่ได้รับจากการสลายตัวของกัมมันตรังสี โดยเกิดขึ้นจากการดูดซับนิวตรอนของอะตอมและการปล่อยรังสีแกมมาตามมา ซึ่งมักจะมีพลังงานจลน์จำนวนมาก พลังงานจลน์นี้ ตามกฎข้อที่สามของนิวตันจะผลักอะตอมที่กำลังสลายตัว ทำให้มันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากพอที่จะทำลายพันธะเคมีได้^{[ 31 ]}ปรากฏการณ์นี้สามารถนำมาใช้ในการแยกไอโซโทปด้วยวิธีการทางเคมีได้

ปรากฏการณ์ Szilard–Chalmers ถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2477 โดยLeó Szilárdและ Thomas A. Chalmers ^{[ 32 ]}พวกเขาพบว่าหลังจากการระดมยิงด้วยนิวตรอน การแตกของพันธะในเอทิลไอโอไดด์เหลวทำให้ไอโอดีนกัมมันตรังสีสามารถถูกกำจัดออกไปได้^{[ 33 ]}

นิวไคลด์กัมมันตรังสีดั้งเดิมที่พบในโลกเป็นสารตกค้างจาก การระเบิดของ ซูเปอร์โนวา โบราณ ที่เกิดขึ้นก่อนการก่อตัวของระบบสุริยะพวกมันคือส่วนหนึ่งของนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่รอดชีวิตมาตั้งแต่เวลานั้น ผ่านการก่อตัวของเนบิวลา สุริยะดั้งเดิม ผ่านการรวมตัว ของดาวเคราะห์ และมาจนถึงปัจจุบัน นิวไคลด์ กัมมันตรังสี ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติซึ่งมีอายุสั้นและพบใน หินในปัจจุบันเป็นลูกหลานของนิวไคลด์กัมมันตรังสีดั้งเดิมเหล่านั้น แหล่งกำเนิดนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติอีกแหล่งหนึ่งที่มีปริมาณน้อย คือนิวไคลด์ ที่เกิดจาก รังสีคอสมิก ซึ่งเกิดจากการที่รังสีคอสมิกพุ่งชนวัสดุในชั้นบรรยากาศหรือเปลือกโลก การสลายตัวของนิวไคลด์กัมมันตรังสีในหินของ เนื้อโลกและเปลือกโลกมีส่วนสำคัญต่อ สมดุลความร้อน ภายใน ของโลก

แม้ว่ากระบวนการพื้นฐานของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีจะเป็นระดับอะตอมย่อย แต่ในทางประวัติศาสตร์และในทางปฏิบัติส่วนใหญ่ มักพบเห็นได้ในวัสดุขนาดใหญ่ที่มีจำนวนอะตอมมาก ส่วนนี้จะกล่าวถึงแบบจำลองที่เชื่อมโยงเหตุการณ์ในระดับอะตอมกับการสังเกตการณ์ในระดับรวม

อัตราการสลายตัวหรือค่ากัมมันตภาพรังสีของสารกัมมันตรังสีนั้น มีลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์ที่ไม่ขึ้นกับเวลาดังต่อไปนี้:

• ครึ่งชีวิต t _{1/2 คือระยะเวลาที่กัมมันต} ภาพของสารกัมมันตรังสี ปริมาณหนึ่ง ลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของค่าเริ่มต้น
• ค่าคงที่การสลายตัวλ " แลมบ์ดา " ซึ่งเป็นส่วนกลับของอายุเฉลี่ย (ในหน่วย s ⁻¹ ) บางครั้งเรียกง่ายๆ ว่าอัตราการสลายตัว
• อายุเฉลี่ย τ " เทา " คืออายุเฉลี่ย (1/ eอายุ) ของอนุภาคกัมมันตรังสี ก่อนที่จะสลายตัว

แม้ว่าค่าเหล่านี้จะเป็นค่าคงที่ แต่ก็มีความเกี่ยวข้องกับพฤติกรรมทางสถิติของกลุ่มอะตอม ดังนั้น การคาดการณ์โดยใช้ค่าคงที่เหล่านี้จึงมีความแม่นยำน้อยลงสำหรับตัวอย่างอะตอมที่มีขนาดเล็กมาก

โดยหลักการแล้ว ครึ่งชีวิต สามเท่าของอายุขัย หรือแม้แต่ (1/√2)-อายุขัย สามารถนำมาใช้ในลักษณะเดียวกับครึ่งชีวิตได้ แต่ค่าเฉลี่ยของอายุขัยและครึ่งชีวิตt _1/2ได้ถูกนำมาใช้เป็นเวลามาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับการสลายตัวแบบเอกซ์ponential

พารามิเตอร์เหล่านั้นสามารถเชื่อมโยงกับพารามิเตอร์ที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาต่อไปนี้ได้:

• ค่ากัมมันตภาพรวม (หรือเรียกสั้น ๆ ว่าค่ากัมมันตภาพ ) Aคือจำนวนการสลายตัวต่อหน่วยเวลาของตัวอย่างกัมมันตภาพรังสี
• จำนวนอนุภาค Nในตัวอย่าง
• กิจกรรมจำเพาะaคือจำนวนการสลายตัวต่อหน่วยเวลาต่อปริมาณสารของตัวอย่าง ณ เวลาที่กำหนดเป็นศูนย์ ( t = 0 ) "ปริมาณสาร" อาจหมายถึงมวล ปริมาตร หรือจำนวนโมลของตัวอย่างเริ่มต้น

สิ่งเหล่านี้มีความเกี่ยวข้องดังต่อไปนี้:

${\displaystyle {\begin{aligned}t_{1/2}&={\frac {\ln(2)}{\lambda }}=\tau \ln(2)\\[2pt]A&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}=\lambda N={\frac {\ln(2)}{t_{1/2}}}N\\[2pt]S_{A}a_{0}&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}{\bigg |_{t=0}=\lambda N_{0}\end{aligned}}}$

โดยที่N ₀คือปริมาณเริ่มต้นของสารออกฤทธิ์ ซึ่งเป็นสารที่มีเปอร์เซ็นต์ของอนุภาคที่ไม่เสถียรเท่ากับตอนที่สารนั้นถูกสร้างขึ้น

คณิตศาสตร์ของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีขึ้นอยู่กับสมมติฐานสำคัญที่ว่า นิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีไม่มี "ความทรงจำ" หรือวิธีการใดที่จะถ่ายทอดประวัติของมันไปสู่พฤติกรรมในปัจจุบันได้ นิวเคลียสไม่ "แก่ลง" ตามกาลเวลา ดังนั้น ความน่าจะเป็นที่มันจะสลายตัวจึงไม่เพิ่มขึ้นตามเวลา แต่คงที่ ไม่ว่านิวเคลียสนั้นจะมีอยู่มานานแค่ไหนก็ตาม ความน่าจะเป็นคงที่นี้อาจแตกต่างกันอย่างมากระหว่างนิวเคลียสแต่ละชนิด ทำให้เกิดอัตราการสลายตัวที่แตกต่างกันมากมาย อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าความน่าจะเป็นจะเป็นเท่าใด มันก็จะไม่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ซึ่งแตกต่างอย่างมากจากวัตถุที่ซับซ้อนซึ่งแสดงให้เห็นถึงการแก่ตัว เช่น รถยนต์และมนุษย์ ระบบที่แก่ตัวเหล่านี้มีโอกาสที่จะสลายตัวต่อหน่วยเวลาที่เพิ่มขึ้นนับตั้งแต่เริ่มมีอยู่

กระบวนการรวม เช่น การสลายตัวของกัมมันตรังสีของกลุ่มอะตอม ซึ่งความน่าจะเป็นของการเกิดเหตุการณ์เดี่ยวมีขนาดเล็กมาก แต่จำนวนช่วงเวลามีขนาดใหญ่มากจนทำให้อัตราการเกิดเหตุการณ์อยู่ในระดับที่สมเหตุสมผล จะถูกจำลองโดยการแจกแจงปัวซงซึ่งเป็นแบบไม่ต่อเนื่อง การสลายตัวของกัมมันตรังสีและปฏิกิริยาของอนุภาคนิวเคลียร์เป็นตัวอย่างของกระบวนการรวมดังกล่าว^{[ 34 ]}คณิตศาสตร์ของกระบวนการปัวซงลดลงเหลือเพียงกฎการสลายตัวแบบเอกซ์โพเนน เชียล ซึ่งอธิบายพฤติกรรมทางสถิติของนิวเคลียสจำนวนมาก แทนที่จะเป็นนิวเคลียสแต่ละตัว ในรูปแบบต่อไปนี้ จำนวนนิวเคลียสหรือประชากรนิวเคลียสNเป็นตัวแปรแบบไม่ต่อเนื่อง ( จำนวนธรรมชาติ ) แต่สำหรับตัวอย่างทางกายภาพใดๆNมีขนาดใหญ่มากจนสามารถถือได้ว่าเป็นตัวแปรต่อเนื่องแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์ถูกใช้เพื่อจำลองพฤติกรรมของการสลายตัวของนิวเคลียร์

พิจารณากรณีของนิวไคลด์Aที่สลายตัวเป็นนิวไคลด์BโดยกระบวนการA → B (การปล่อยอนุภาคอื่น ๆ เช่นอิเล็กตรอนนิวตริโนν)_อีและอิเล็กตรอน e ⁻เช่นเดียวกับการสลายตัวแบบเบตาไม่เกี่ยวข้องกับสิ่งที่จะกล่าวต่อไป) การสลายตัวของนิวเคลียสที่ไม่เสถียรเป็นแบบสุ่มโดยสมบูรณ์ในเวลา ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะทำนายว่าอะตอมใดจะสลายตัวเมื่อใด อย่างไรก็ตาม มีโอกาสเท่ากันที่จะสลายตัวในทุกช่วงเวลา ดังนั้น เมื่อกำหนดตัวอย่างของไอโซโทปรังสีเฉพาะ จำนวนเหตุการณ์การสลายตัว−d Nที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆd tจะเป็นสัดส่วนกับจำนวนอะตอมที่มีอยู่Nนั่นคือ^{[ 35 ]}

${\displaystyle -{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}\propto N}$

นิวไคลด์กัมมันตรังสีแต่ละชนิดสลายตัวในอัตราที่แตกต่างกัน ดังนั้นแต่ละชนิดจึงมีค่าคงที่การสลายตัวλ ของตัวเอง การสลายตัวที่คาดการณ์ไว้−d N / Nจะเป็นสัดส่วนกับช่วงเวลาที่เพิ่มขึ้นd t :

เครื่องหมายลบแสดงว่าN ลดลงเมื่อเวลาเพิ่มขึ้น เนื่องจากการสลายตัวเกิดขึ้นต่อเนื่องกัน คำตอบของ สมการเชิงอนุพันธ์อันดับหนึ่งนี้คือฟังก์ชัน :

${\displaystyle N(t)=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}}$

โดยที่N ₀คือค่าของNณ เวลาt = 0 โดยมีค่าคงที่การสลายตัวแสดงเป็นλ ^{[ 35 ]}

เรามีt สำหรับทุกยุคทุกสมัย :

${\displaystyle N_{A}+N_{B}=N_{\text{total}}=N_{A0},}$

โดยที่N _รวมคือจำนวนอนุภาคคงที่ตลอดกระบวนการสลายตัว ซึ่งเท่ากับจำนวน นิวไคลด์ A เริ่มต้น เนื่องจากนี่คือสารตั้งต้น

ถ้าจำนวน นิวเคลียส A ที่ไม่สลายตัว คือ:

${\displaystyle N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}}$

ดังนั้นจำนวนนิวเคลียสของB (กล่าวคือจำนวน นิวเคลียส ของ A ที่สลายตัว ) คือ

${\displaystyle N_{B}=N_{A0}-N_{A}=N_{A0}-N_{A0}e^{-\lambda t}=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).}$

จำนวนการสลายตัวที่สังเกตในช่วงเวลาที่กำหนดเป็นไปตามสถิติปัวซงหากจำนวนการสลายตัวเฉลี่ยคือ⟨ N ⟩ความน่าจะเป็นของจำนวนการสลายตัวN ที่กำหนด คือ^{[ 35 ]}

${\displaystyle P(N)={\frac {\langle N\rangle ^{N}\exp(-\langle N\rangle )}{N!}}.}$

ตอนนี้ลองพิจารณากรณีของห่วงโซ่การสลายตัวสองแบบ: นิวไคลด์Aสลายตัวเป็นนิวไคลด์Bโดยกระบวนการหนึ่ง จากนั้นBสลายตัวเป็นนิวไคล ด์ Cโดยกระบวนการที่สอง นั่นคือA → B → C สมการก่อนหน้านี้ไม่สามารถนำมาใช้กับห่วงโซ่การสลายตัว ได้แต่สามารถสรุปได้ดังนี้ เนื่องจากAสลายตัวเป็นBจากนั้น B สลายตัวเป็นCกิจกรรมของAจะเพิ่มเข้าไปในจำนวน นิวไคลด์ B ทั้งหมด ในตัวอย่างปัจจุบันก่อนที่ นิวไคลด์ Bเหล่านั้นจะสลายตัวและลดจำนวนนิวไคลด์ที่นำไปสู่ตัวอย่างในภายหลัง กล่าวอีกนัยหนึ่ง จำนวนนิวเคลียสรุ่นที่สองBเพิ่มขึ้นอันเป็นผลมาจากการสลายตัวของนิวเคลียสรุ่นแรกAและลดลงอันเป็นผลมาจากการสลายตัวของตัวมันเองเป็นนิวเคลียสรุ่นที่สาม^{C [ 36} ]ผล^{รวมของ}สองเทอมนี้ให้กฎสำหรับห่วงโซ่การสลายตัวของนิวไคลด์สองตัว:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A}.}$

อัตราการเปลี่ยนแปลงของN _Bซึ่งก็คือd N _B /d tนั้น สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงปริมาณของAและBโดยN _Bสามารถเพิ่มขึ้นได้เมื่อBถูกผลิตขึ้นจากAและลดลงได้เมื่อ BผลิตC

เขียนใหม่โดยใช้ผลลัพธ์ก่อนหน้า:

ตัวเลขห้อยหมายถึงนิวไคลด์แต่ละชนิด กล่าวคือN _Aคือจำนวนนิวไคลด์ชนิดA ; N _{A 0}คือจำนวนนิวไคลด์ชนิดA เริ่มต้น ; λ _Aคือค่าคงที่การสลายตัวของAและในทำนองเดียวกันสำหรับนิวไคลด์Bการแก้สมการนี้สำหรับN _Bจะได้:

${\displaystyle N_{B}={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right).}$

ในกรณีที่Bเป็นนิวไคลด์เสถียร ( λ _B = 0) สมการนี้จะลดลงเหลือคำตอบก่อนหน้านี้:

${\displaystyle \lim _{\lambda _{B}\rightarrow 0}\left[{\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right)\right]={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{0-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-1\right)=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda _{A}t}\right),}$

ดังแสดงข้างต้นสำหรับการสลายตัวหนึ่งครั้ง สามารถหาคำตอบได้โดยใช้ วิธี ตัวประกอบการอินทิเกรตโดยที่ตัวประกอบการอินทิเกรตคือe ^{λ _B t}กรณีนี้อาจมีประโยชน์มากที่สุด เนื่องจากสามารถอนุมานสมการการสลายตัวหนึ่งครั้ง (ข้างต้น) และสมการสำหรับห่วงโซ่การสลายตัวหลายครั้ง (ด้านล่าง) ได้โดยตรงมากขึ้น

ในกรณีทั่วไปของการสลายตัวต่อเนื่องจำนวนใดๆ ในห่วงโซ่การสลายตัว เช่นA ₁ → A ₂ ··· → A _i ··· → A _Dโดยที่Dคือจำนวนการสลายตัว และiคือดัชนีสมมติ ( i = 1, 2, 3, ..., D ) ประชากรนิวไคลด์แต่ละตัวสามารถหาได้จากประชากรตัวก่อนหน้า ในกรณีนี้N ₂ = 0 , N ₃ = 0 , ..., N _D = 0โดยใช้ผลลัพธ์ข้างต้นในรูปแบบเวียนเกิด:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N_{j}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{j}N_{j}+\lambda _{j-1}N_{(j-1)0}e^{-\lambda _{j-1}t}.}$

วิธีแก้ปัญหาทั่วไปของปัญหาแบบเรียกซ้ำจะได้รับจากสมการของ Bateman : ^{[ 37 ]}

ในตัวอย่างทั้งหมดข้างต้น นิวไคลด์เริ่มต้นจะสลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์เพียงตัวเดียว^{[ 38 ]}พิจารณากรณีของนิวไคลด์เริ่มต้นหนึ่งตัวที่สามารถสลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์ได้สองอย่าง คือA → BและA → Cพร้อมกัน ตัวอย่างเช่น ในตัวอย่างโพแทสเซียม-40นิวเคลียส 89.3% สลายตัวเป็นแคลเซียม-40และ 10.7% สลายตัวเป็นอาร์กอน-40เรามีสำหรับทุกเวลาtดังนี้:

${\displaystyle N=N_{A}+N_{B}+N_{C}}$

ซึ่งคงที่ เนื่องจากจำนวนนิวไคลด์ทั้งหมดคงที่ การหาอนุพันธ์เทียบกับเวลา:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\mathrm {d} N_{A}}{\mathrm {d} t}}&=-\left({\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}+{\frac {\mathrm {d} N_{C}}{\mathrm {d} t}}\right)\\-\lambda N_{A}&=-N_{A}\left(\lambda _{B}+\lambda _{C}\right)\\\end{aligned}}}$

โดยกำหนดค่าคงที่การสลายตัวรวมλในรูปของผลรวมของค่าคงที่การสลายตัวย่อยλ _Bและλ _C :

${\displaystyle \lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}.}$

แก้สมการนี้เพื่อหาค่า N _A :

${\displaystyle N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}.}$

โดยที่N _{A 0}คือจำนวนนิวไคลด์ A เริ่มต้น เมื่อวัดการผลิตนิวไคลด์หนึ่งตัว จะสามารถสังเกตได้เฉพาะค่าคงที่การสลายตัวรวมλ เท่านั้น ค่าคงที่การสลายตัวλ _Bและλ _Cจะกำหนดความน่าจะเป็นที่การสลายตัวจะส่งผลให้เกิดผลิตภัณฑ์BหรือCดังต่อไปนี้:

${\displaystyle N_{B}={\frac {\lambda _{B}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right),}$

${\displaystyle N_{C}={\frac {\lambda _{C}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).}$

เนื่องจากสัดส่วนλ _B / λของนิวเคลียสสลายตัวเป็นBในขณะที่สัดส่วนλ _C / λของนิวเคลียสสลายตัวเป็น C

สมการข้างต้นสามารถเขียนได้โดยใช้ปริมาณที่เกี่ยวข้องกับจำนวนอนุภาคนิวไคลด์Nในตัวอย่าง ได้เช่นกัน

• กิจกรรม: A = λN
• ปริมาณสาร : n = N / N _A .
• มวล: m = Mn = MN / N _A .​

โดยที่N _A =6.022 140 76 × 10 ²³  mol ^{−1 ‍ [39 ]}คือค่าคงที่ของอะโวกาโดMคือมวลโมลาร์ของสารในหน่วย kg/mol และปริมาณของสารnอยู่ในหน่วยโมล

สำหรับสารละลายการสลายตัวแบบหนึ่งA → B :

${\displaystyle N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!}$

สมการนี้แสดงให้เห็นว่าค่าคงที่การสลายตัวλมีหน่วยเป็นt ⁻¹และสามารถแสดงได้ในรูป 1/ τโดยที่τคือเวลาลักษณะเฉพาะของกระบวนการที่เรียกว่า ค่า คง ที่เวลา

ในกระบวนการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี ค่าคงที่เวลาดังกล่าวนี้ก็คืออายุเฉลี่ยของอะตอมที่กำลังสลายตัว อะตอมแต่ละตัว "มีชีวิตอยู่" ในช่วงเวลาจำกัดก่อนที่จะสลายตัว และสามารถแสดงได้ว่าอายุเฉลี่ยนี้คือค่าเฉลี่ยเลขคณิตของอายุของอะตอมทั้งหมด และมีค่าเท่ากับτซึ่งมีความสัมพันธ์กับค่าคงที่การสลายตัวดังนี้:

${\displaystyle \tau ={\frac {1}{\lambda }}.}$

รูปแบบนี้ยังใช้ได้กับกระบวนการสลายตัวสองอย่างพร้อมกันA → B + Cโดยใส่ค่าคงที่การสลายตัวที่เทียบเท่ากัน (ตามที่ระบุไว้ข้างต้น)

${\displaystyle \lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}\,}$

การเติมสารละลายที่ทำให้เกิดการสลายตัวจะนำไปสู่:

${\displaystyle {\frac {1}{\tau }}=\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}={\frac {1}{\tau _{B}}}+{\frac {1}{\tau _{C}}}\,}$

พารามิเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปมากกว่าคือครึ่งชีวิตT _1/2เมื่อกำหนดตัวอย่างของนิวไคลด์กัมมันตรังสีชนิดใดชนิดหนึ่ง ครึ่งชีวิตคือเวลาที่ใช้ในการสลายตัวของอะตอมครึ่งหนึ่งของนิวไคลด์กัมมันตรังสีนั้น สำหรับกรณีปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบสลายตัวครั้งเดียว:

${\displaystyle N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!}$

ครึ่งชีวิตมีความสัมพันธ์กับค่าคงที่การสลายตัวดังนี้: กำหนดให้N = N ₀ /2และt = T _1/2เพื่อให้ได้

${\displaystyle t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}=\tau \ln 2.}$

ความสัมพันธ์ระหว่างครึ่งชีวิตและค่าคงที่การสลายตัวนี้แสดงให้เห็นว่าสารกัมมันตรังสีสูงจะหมดไปอย่างรวดเร็ว ในขณะที่สารที่แผ่รังสีอ่อนจะคงอยู่ได้นานกว่าครึ่งชีวิตของนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่รู้จักกันนั้นแตกต่างกันเกือบ 54 อันดับของขนาด ตั้งแต่มากกว่า2.25(9) × 10 ²⁴ปี (6.9 × 10 ³¹วินาที) สำหรับนิวไคลด์¹²⁸ Te ที่เกือบ จะ เสถียรมาก8.6(6) × 10 ⁻²³วินาทีสำหรับนิวไคลด์⁵ Hที่ ไม่เสถียรอย่างมาก ^{[ 28 ]}

ปัจจัยของln(2)ในความสัมพันธ์ข้างต้นเกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าแนวคิดของ "ครึ่งชีวิต" เป็นเพียงวิธีการเลือกฐานที่แตกต่างจากฐานธรรมชาติeสำหรับการแสดงออกของอายุการใช้งาน ค่าคงที่เวลาτคือe −1 -  ชีวิต เวลาจนกว่าจะเหลือเพียง 1/ eประมาณ 36.8% แทนที่จะเป็น 50% ในครึ่งชีวิตของนิวไคลด์กัมมันตรังสี ดังนั้นτจึงยาวกว่าt _1/2สมการต่อไปนี้สามารถแสดงให้เห็นว่าถูกต้อง:

${\displaystyle N(t)=N_{0}\,e^{-t/\tau }=N_{0}\,2^{-t/t_{1/2}}.\,\!}$

เนื่องจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีเป็นแบบเอกซ์โปเนนเชียลด้วยความน่าจะเป็นคงที่ กระบวนการแต่ละอย่างจึงสามารถอธิบายได้ง่ายๆ ด้วยช่วงเวลาคงที่ที่แตกต่างกัน ซึ่ง (ตัวอย่างเช่น) ให้ค่า "(1/3)-life" (ระยะเวลาจนกว่าจะเหลือเพียง 1/3) หรือ "(1/10)-life" (ช่วงเวลาจนกว่าจะเหลือเพียง 10%) เป็นต้น ดังนั้น การเลือกใช้τและt _1/2สำหรับช่วงเวลาบ่งชี้ จึงเป็นเพียงเพื่อความสะดวกและเป็นไปตามธรรมเนียมเท่านั้น ค่าเหล่านี้สะท้อนถึงหลักการพื้นฐานเพียงในแง่ที่แสดงให้เห็นว่าสัดส่วนเดียวกันของสารกัมมันตรังสีที่กำหนดจะสลายตัวในช่วงเวลาใดๆ ก็ตามที่เลือก

ในทางคณิตศาสตร์ อายุขัยที่ⁿ สำหรับสถานการณ์ข้างต้นจะหาได้ด้วยวิธีเดียวกันกับข้างต้น คือ กำหนดให้N = N ₀ /n , t = T _{1/ n}แล้วแทนค่าลงในสมการการสลายตัวเพื่อให้ได้

${\displaystyle t_{1/n}={\frac {\ln n}{\lambda }}=\tau \ln n.}$

คาร์บอน-14มีครึ่งชีวิตเท่ากับ5700(30)ปี^{[ 28 ]}และอัตราการสลาย 14 ครั้งต่อนาที (dpm) ต่อกรัมของคาร์บอนธรรมชาติ

หากพบว่าวัตถุโบราณมีกัมมันตภาพรังสี 4 dpm ต่อกรัมของคาร์บอนที่มีอยู่ เราสามารถหาอายุโดยประมาณของวัตถุได้โดยใช้สมการข้างต้น:

${\displaystyle N=N_{0}\,e^{-t/\tau },}$

ที่ไหน:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {N}{N_{0}}}&=4/14\approx 0.286,\\\tau &={\frac {T_{1/2}}{\ln 2}}\approx 8267{\text{ years}},\\t&=-\tau \,\ln {\frac {N}{N_{0}}}\approx 10356{\text{ years}}.\end{aligned}}}$

โหมดการสลายตัวของกัมมันตรังสีของการจับอิเล็กตรอนและการแปลงภายในเป็นที่ทราบกันดีว่ามีความไวต่อผลกระทบทางเคมีและสิ่งแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กตรอนของอะตอมเพียงเล็กน้อย ซึ่งส่งผลต่อการมีอยู่ของอิเล็กตรอน 1s และ 2s ที่มีส่วนร่วมในกระบวนการสลายตัว นิวไคลด์จำนวนเล็กน้อยได้รับผลกระทบ^{[ 40 ]}ตัวอย่างเช่นพันธะเคมีสามารถส่งผลต่ออัตราการจับอิเล็กตรอนได้ในระดับเล็กน้อย (โดยทั่วไป น้อยกว่า 1%) ขึ้นอยู่กับความใกล้ชิดของอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส ใน⁷ Be พบความแตกต่าง 0.9% ระหว่างครึ่งชีวิตในสภาพแวดล้อมที่เป็นโลหะและฉนวน^{[ 41 ]}ผลกระทบที่ค่อนข้างมากนี้เป็นเพราะเบริลเลียมเป็นอะตอมขนาดเล็กที่มีอิเล็กตรอนวาเลนซ์อยู่ในวงโคจรอะตอม 2s ซึ่งอยู่ภายใต้การจับอิเล็กตรอนใน⁷ Be เพราะ (เช่นเดียวกับวงโคจรอะตอม s ทั้งหมดในอะตอมทั้งหมด) พวกมันแทรกซึมเข้าไปในนิวเคลียสโดยธรรมชาติ

ในปี พ.ศ. 2535 Jung และคณะจากกลุ่มวิจัยไอออนหนักดาร์มสตัดท์ได้สังเกตการสลายตัวแบบ β ⁻ ที่เร่งขึ้น  ของ¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺แม้ว่า¹⁶³ Dy ที่เป็นกลางจะเป็นไอโซโทปที่เสถียร แต่¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺ ที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์จะเกิด  การสลายตัวแบบ β ⁻ เข้าสู่เปลือก K และ Lเป็น¹⁶³ Ho ⁶⁶⁺โดยมีครึ่งชีวิต 47 วัน^{[ 42 ]}

เรเนียม-187เป็นตัวอย่างที่น่าทึ่งอีกประการหนึ่ง โดยปกติ ¹⁸⁷ Re จะสลายตัวแบบเบตาเป็น¹⁸⁷ Os โดยมีครึ่งชีวิต 41.6 พันล้านปี^{[ 43 ]}แต่การศึกษาโดยใช้ อะตอม ¹⁸⁷ Re ที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์ (นิวเคลียสเปล่า) พบว่าครึ่งชีวิตนี้สามารถลดลงเหลือเพียง 32.9 ปี^{[ 44 ]}ซึ่งเป็นผลมาจาก " การสลายตัวแบบเบตาของสถานะผูกพัน^"ของอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์ – อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาใน "เปลือก K" (วงโคจรอะตอม 1s) ซึ่งไม่สามารถเกิดขึ้นได้กับอะตอมที่เป็นกลางซึ่งสถานะผูกพันระดับต่ำทั้งหมดถูกครอบครอง^{[ 45 ]}

การทดลองหลายครั้งพบว่าอัตราการสลายตัวของไอโซโทปรังสีเทียมและที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในรูปแบบอื่นๆ นั้น ไม่ได้รับผลกระทบจากสภาวะภายนอก เช่น อุณหภูมิ ความดัน สภาพแวดล้อมทางเคมี และสนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก หรือสนามโน้มถ่วง ในระดับความแม่นยำสูง^{[ 46 ]}การเปรียบเทียบการทดลองในห้องปฏิบัติการในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา การศึกษาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ Oklo (ซึ่งเป็นตัวอย่างของผลกระทบของนิวตรอนความร้อนต่อการสลายตัวของนิวเคลียร์) และการสังเกตการณ์ทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์เกี่ยวกับการสลายตัวของความสว่างของซูเปอร์โนวาที่อยู่ไกลออกไป (ซึ่งเกิดขึ้นไกลมากจนแสงต้องใช้เวลานานมากในการเดินทางมาถึงเรา) แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าอัตราการสลายตัวที่ไม่ถูกรบกวนนั้นคงที่ (อย่างน้อยก็ภายในขอบเขตของข้อผิดพลาดในการทดลองเล็กน้อย) เมื่อเทียบกับเวลาด้วยเช่นกัน

ผลลัพธ์ล่าสุดชี้ให้เห็นถึงความเป็นไป ได้ที่อัตราการสลายตัวอาจมีความสัมพันธ์เพียงเล็กน้อยกับปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม มีการเสนอแนะว่าการวัดอัตราการสลายตัวของซิลิคอน-32 แมงกานีส-54และเรเดียม-226แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาลเล็กน้อย (ประมาณ 0.1%) ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}อย่างไรก็ตาม การวัดดังกล่าวมีความอ่อนไหวต่อข้อผิดพลาดที่เป็นระบบสูง และเอกสารฉบับต่อมา^{[ 50 ]}พบว่าไม่มีหลักฐานสำหรับความสัมพันธ์ดังกล่าวในไอโซโทปอีกเจ็ดชนิด ( ²² Na, ⁴⁴ Ti, ¹⁰⁸ Ag, ¹²¹ Sn, ¹³³ Ba, ²⁴¹ Am, ²³⁸ Pu) และกำหนดขีดจำกัดบนของขนาดผลกระทบดังกล่าว ครั้งหนึ่งเคยมีรายงานว่า การสลายตัวของเรดอน-222แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาลสูงสุดถึงต่ำสุดถึง 4% (ดูแผนภูมิ) ^{[ 51 ]}ซึ่งเสนอว่าอาจเกี่ยวข้องกับ กิจกรรม เปลวสุริยะหรือระยะห่างจากดวงอาทิตย์ แต่การวิเคราะห์อย่างละเอียดเกี่ยวกับข้อบกพร่องในการออกแบบการทดลอง พร้อมกับการเปรียบเทียบกับการทดลองอื่น ๆ ที่เข้มงวดและควบคุมอย่างเป็นระบบมากกว่า ได้หักล้างข้อกล่าวอ้างนี้^{[ 52 ]}

ผลการทดลองที่ไม่คาดคิดเกี่ยวกับอัตราการสลายตัวของไอออนกัมมันตรังสีที่มีประจุสูงซึ่งหมุนเวียนอยู่ในวงแหวนเก็บประจุ ได้ กระตุ้นกิจกรรมทางทฤษฎีเพื่อพยายามหาคำอธิบายที่น่าเชื่อถือ พบว่าอัตรา การสลายตัว แบบอ่อนของสารกัมมันตรังสีสองชนิดที่มีครึ่งชีวิตประมาณ 40 วินาทีและ 200 วินาที มีการเปลี่ยนแปลงแบบแกว่ง อย่างมีนัยสำคัญ โดยมีคาบประมาณ 7 วินาที^{[ 53 ]} ปรากฏการณ์ที่สังเกตได้นี้เรียกว่าความผิดปกติของ GSIเนื่องจากวงแหวนเก็บประจุเป็นสิ่งอำนวยความสะดวกที่ศูนย์วิจัยไอออนหนัก GSI Helmholtzในเมืองดาร์มสตัดท์ประเทศเยอรมนีเนื่องจากกระบวนการสลายตัวก่อให้เกิดนิวตริโนอิเล็กตรอนคำอธิบายบางส่วนที่เสนอสำหรับการแกว่งของอัตราที่สังเกตได้จึงอ้างถึงคุณสมบัติของนิวตริโน แนวคิดเริ่มต้นที่เกี่ยวข้องกับการแกว่งของรสชาติพบกับความสงสัย^{[ 54 ]}ข้อเสนอที่ใหม่กว่าเกี่ยวข้องกับความแตกต่างของมวลระหว่างสถานะ มวลของนิวตริ โน^{[ 55 ]}

นิวไคลด์จะถือว่า "มีอยู่" หากมีครึ่งชีวิตมากกว่า 2 ×10 ⁻¹⁴วินาที นี่เป็นขอบเขตที่กำหนดขึ้นเอง ครึ่งชีวิตที่สั้นกว่าจะถือว่าเป็นเรโซแนนซ์ เช่น ระบบที่กำลังเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ ช่วงเวลาดังกล่าวเป็นลักษณะเฉพาะของปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งซึ่งสร้างแรงนิวเคลียร์มีเพียงนิวไคลด์เท่านั้นที่ถือว่าสลายตัวและก่อให้เกิดกัมมันตภาพรังสี^{[ 56 ] : 568}

นิวไคลด์อาจมีเสถียรภาพหรือไม่มีเสถียรภาพ นิวไคลด์ที่ไม่มีเสถียรภาพจะสลายตัว อาจในหลายขั้นตอน จนกระทั่งกลายเป็นมีเสถียรภาพ มีนิวไคลด์ที่มีเสถียรภาพ ที่รู้จัก 251 ชนิด จำนวนนิวไคลด์ที่ไม่มีเสถียรภาพที่ค้นพบเพิ่มขึ้น โดยมีประมาณ 3,000 ชนิดที่รู้จักในปี 2549 ^{[ 56 ]}

รูปแบบการสลายตัวของกัมมันตรังสีตามธรรมชาติที่พบได้บ่อยที่สุดและมีความสำคัญทางประวัติศาสตร์มากที่สุด ได้แก่ การปล่อยอนุภาคอัลฟา อนุภาคเบตา และรังสีแกมมา แต่ละอย่างสอดคล้องกับปฏิกิริยาพื้นฐานที่เป็นสาเหตุหลักของการเกิดกัมมันตรังสี: ^{[ 57 ] : 142}

• การสลายตัวแบบอัลฟา -> ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง
• การสลายตัวแบบเบตา -> ปฏิสัมพันธ์แบบอ่อน
• การสลายตัวแบบแกมมา -> แม่เหล็กไฟฟ้า

ในการสลายตัวแบบอัลฟา อนุภาคที่มีโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว ซึ่งเทียบเท่ากับนิวเคลียสของฮีเลียม จะหลุดออกจากนิวเคลียสแม่ กระบวนการนี้แสดงถึงการแข่งขันระหว่างแรงผลักทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างโปรตอนในนิวเคลียสและแรงดึงดูดนิวเคลียร์ซึ่งเป็นส่วนที่เหลือของปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง อนุภาคอัลฟาเป็นนิวเคลียสที่มีพันธะที่แข็งแรงเป็นพิเศษ ช่วยให้มันชนะการแข่งขันได้บ่อยขึ้น^{[ 58 ] : 872} อย่างไรก็ตาม นิวเคลียสบางส่วนแตกตัวหรือแยกออกเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้น และนิวเคลียสเทียมจะสลายตัวโดยมีการปล่อยโปรตอนเดี่ยว โปรตอนคู่ และการรวมกันอื่นๆ^{[ 56 ]}

การสลายตัวแบบเบตาจะเปลี่ยนนิวตรอนเป็นโปรตอนหรือในทางกลับกัน เมื่อนิวตรอนภายในนิวไคลด์แม่สลายตัวเป็นโปรตอน จะได้อิเล็กตรอน แอนตินิวตริโนและนิวไคลด์ที่มีเลขอะตอมสูงกว่า เมื่อโปรตอนในนิวไคลด์แม่เปลี่ยนเป็นนิวตรอน จะได้โพซิตรอนนิวตริโนและนิวไคลด์ที่มีเลขอะตอมต่ำกว่า การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เป็นผลโดยตรงจากปฏิกิริยาแบบอ่อน^{[ 58 ] : 874}

การสลายตัวของแกมมาคล้ายกับการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่น ๆ กล่าวคือ สอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะควอนตัมที่ถูกกระตุ้นและสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า กลไกการสลายตัวของอนุภาคใด ๆ มักจะทำให้อนุภาคลูกอยู่ในสถานะที่ถูกกระตุ้น จากนั้นจึงสลายตัวผ่านการปล่อยแกมมา^{[ 58 ] : 876}

รูปแบบการสลายตัวอื่นๆ ได้แก่การปล่อยนิวตรอนการจับอิเล็กตรอนการแปลงภายใน การสลายตัว แบบคลัสเตอร์^{[ 59 ]}

• 
  สัญลักษณ์รูปใบไม้สามแฉก ใช้เพื่อเตือนภัยการมีอยู่ของวัสดุกัมมันตรังสีหรือรังสีไอออนไนซ์
• 
  สัญลักษณ์อันตรายจากกัมมันตภาพรังสี ISO ปี 2007 มีไว้สำหรับแหล่งกำเนิดประเภท 1, 2 และ 3 ของ IAEA ซึ่งกำหนดเป็นแหล่งกำเนิดอันตรายที่อาจทำให้เสียชีวิตหรือได้รับบาดเจ็บสาหัส^{[ 60 ]}
• 
  หนึ่งในหลายป้ายแสดงการจำแนกประเภทการขนส่งสินค้าอันตรายสำหรับวัสดุกัมมันตรังสี

พอร์ทัล เทคโนโลยีนิวเคลียร์ พอร์ทัลฟิสิกส์

วิกิบุ๊คเรื่องธรณีวิทยาประวัติศาสตร์มีหน้าหนึ่งที่กล่าวถึงหัวข้อ: การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี

ค้นหาคำว่า "กัมมันตภาพรังสี"ในวิกิพีเดีย ซึ่งเป็นพจนานุกรมเสรี

Wikisourceภาษาอังกฤษมีข้อความต้นฉบับที่เกี่ยวข้องกับบทความนี้:

กัมมันตภาพรังสี

• ระบบค้นหาข้อมูลนิวเคลียร์ของ Lund/LBNL – ประกอบด้วยข้อมูลในรูปแบบตารางเกี่ยวกับประเภทและพลังงานของการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี
• ระบบการตั้งชื่อทางเคมีนิวเคลียร์เก็บถาวรเมื่อวันที่ 12 กุมภาพันธ์ 2015 ที่Wayback Machine
• กิจกรรมเฉพาะและหัวข้อที่เกี่ยวข้อง
• แผนภูมิแสดงการกระจายตัวของนิวไคลด์แบบเรียลไทม์ – IAEA
• แผนภูมิเชิงโต้ตอบของนิวไคลด์ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 10 ตุลาคม 2018 ที่Wayback Machine
• เว็บไซต์ให้ความรู้แก่สาธารณชนของสมาคมฟิสิกส์สุขภาพ
• Beach, Chandler B., บรรณาธิการ (1914). "Becquerel Rays"  . The New Student's Reference Work  . ชิคาโก: FE Compton and Co.
• บรรณานุกรมพร้อมคำอธิบายเกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีจากห้องสมุดดิจิทัล Alsos สำหรับประเด็นนิวเคลียร์เก็บถาวรเมื่อวันที่ 7 ตุลาคม 2010 ที่Wayback Machine
• "อองรี เบคเคอเรล: การค้นพบกัมมันตภาพรังสี" บทความของเบคเคอเรลในปี 1896 สามารถอ่านออนไลน์และวิเคราะห์ได้ที่BibNum [คลิก 'à télécharger' สำหรับเวอร์ชันภาษาอังกฤษ ]
• "การเปลี่ยนแปลงทางรังสี" บทความของ Rutherford & Soddy (1903) ออนไลน์และวิเคราะห์บนBibnum [คลิก 'à télécharger' สำหรับเวอร์ชันภาษาอังกฤษ]