Radioaktiver Zerfall
Die Kerne der meisten alltäglichen Atome sind stabil — das heißt, sie ändern sich im Laufe der Zeit nicht. Diese Aussage ist jedoch etwas irreführend, da Kerne, die nicht stabil sind, im Allgemeinen nicht lange halten und daher tendenziell nicht Teil der täglichen Erfahrung sind. Eigentlich, Die meisten bekannten Isotope von Kernen sind nicht stabil; stattdessen, Sie durchlaufen einen Prozess namens radioaktiver Zerfall, was oft die Identität des ursprünglichen Atoms ändert.
Beim radioaktiven Zerfall bleibt ein Kern für einen unvorhersehbaren Zeitraum unverändert und emittiert dann ein Hochgeschwindigkeitsteilchen oder Photon, wonach ein anderer Kern das Original ersetzt hat. Jedes instabile Isotop zerfällt mit einer anderen Geschwindigkeit; das heißt, jedes hat eine andere Wahrscheinlichkeit, innerhalb eines bestimmten Zeitraums abzufallen (siehe Zerfallskonstante). Eine Ansammlung identischer instabiler Kerne zerfällt nicht alle auf einmal. Stattdessen, wie Popcorn, das in einer Pfanne knallt, Sie werden über einen bestimmten Zeitraum einzeln zerfallen. Die Zeit, die es dauert, bis die Hälfte der ursprünglichen Probe zerfällt, wird als Halbwertszeit des Isotops bezeichnet. Halbwertszeiten bekannter Isotope reichen von Mikrosekunden bis zu Milliarden von Jahren. Uran-238 (238U) hat eine Halbwertszeit von etwa 4,5 Milliarden Jahren, was ungefähr der Zeit entspricht, die seit der Entstehung des Sonnensystems vergangen ist. So hat die Erde etwa die Hälfte der 238U, die sie hatte, als sie gebildet wurde.
Es gibt drei verschiedene Arten des radioaktiven Zerfalls. Im späten 19.Jahrhundert, als Strahlung noch mysteriös war, wurden diese Zerfallsformen als Alpha, Beta und Gamma bezeichnet. Beim Alpha-Zerfall stößt ein Kern zwei Protonen und zwei Neutronen aus, die alle in einem sogenannten Alpha-Teilchen (das später als identisch mit dem Kern eines normalen Heliumatoms entdeckt wurde) miteinander verbunden sind. Der Tochter- oder zerfallene Kern hat zwei Protonen weniger und zwei Neutronen weniger als das Original und ist daher der Kern eines anderen chemischen Elements. Sobald sich die Elektronen neu angeordnet haben (und die beiden überschüssigen Elektronen abgewandert sind), hat das Atom tatsächlich seine Identität geändert.
Beim Beta-Zerfall verwandelt sich eines der Neutronen im Kern in ein Proton, ein sich schnell bewegendes Elektron und ein Teilchen, das Neutrino genannt wird. Diese Emission schneller Elektronen wird als Betastrahlung bezeichnet. Der Tochterkern hat ein Neutron weniger und ein Proton mehr als das Original und ist daher wiederum ein anderes chemisches Element.
Beim Gamma-Zerfall macht ein Proton oder Neutron einen Quantensprung von einer höheren zu einer niedrigeren Umlaufbahn und emittiert dabei ein hochenergetisches Photon. In diesem Fall ist die chemische Identität des Tochterkerns die gleiche wie das Original.
Wenn ein radioaktiver Kern zerfällt, kommt es häufig vor, dass auch der Tochterkern radioaktiv ist. Diese Tochter wird wiederum zerfallen, und der Tochterkern dieses Zerfalls kann auch radioaktiv sein. Somit kann eine Ansammlung identischer Atome im Laufe der Zeit aufgrund aufeinanderfolgender Zerfälle in eine Mischung vieler Arten von Atomen umgewandelt werden. Solche Zerfälle werden fortgesetzt, bis stabile Tochterkerne erzeugt werden. Dieser Prozess, der als Zerfallskette bezeichnet wird, findet überall in der Natur statt. Zum Beispiel zerfällt Uran-238 mit einer Halbwertszeit von 4.5 Milliarden Jahre in Thorium-234, das in 24 Tagen in Protactinium-234 zerfällt, das ebenfalls zerfällt. Dieser Prozess setzt sich fort, bis es zu Blei-206 kommt, das stabil ist (siehe Uran-Thorium-Blei-Datierung). Gefährliche Elemente wie Radium und Radon werden in der Erdkruste kontinuierlich als Zwischenschritte in Zerfallsketten produziert.