Desintegración radiactiva
Los núcleos de la mayoría de los átomos cotidianos son estables, es decir, no cambian con el tiempo. Esta afirmación es un tanto engañosa, sin embargo, porque los núcleos que no son estables generalmente no duran mucho y, por lo tanto, tienden a no ser parte de la experiencia cotidiana. De hecho, la mayoría de los isótopos conocidos de los núcleos no son estables; en cambio, pasan por un proceso llamado desintegración radiactiva, que a menudo cambia la identidad del átomo original.
En la desintegración radiactiva, un núcleo permanecerá sin cambios durante un período impredecible y luego emitirá una partícula o fotón de alta velocidad, después de lo cual un núcleo diferente habrá reemplazado al original. Cada isótopo inestable se descompone a una velocidad diferente; es decir, cada uno tiene una probabilidad diferente de decaerse dentro de un período de tiempo dado (ver constante de decaimiento). Una colección de núcleos inestables idénticos no se descomponen todos a la vez. En cambio, al igual que las palomitas de maíz en una sartén, se descompondrán individualmente durante un período de tiempo. El tiempo que tarda la mitad de la muestra original en descomponerse se denomina vida media del isótopo. La vida media de los isótopos conocidos varía de microsegundos a miles de millones de años. El uranio-238 (238U) tiene una vida media de aproximadamente 4,5 mil millones de años, que es aproximadamente el tiempo que ha transcurrido desde la formación del sistema solar. Por lo tanto, la Tierra tiene aproximadamente la mitad de los 238U que tenía cuando se formó.
Hay tres tipos diferentes de desintegración radiactiva. A finales del siglo XIX, cuando la radiación todavía era misteriosa, estas formas de desintegración se denominaban alfa, beta y gamma. En la desintegración alfa, un núcleo expulsa dos protones y dos neutrones, todos encerrados en lo que se llama una partícula alfa (que más tarde se descubrió que era idéntica al núcleo de un átomo de helio normal). El núcleo hijo, o decaído, tendrá dos protones y dos neutrones menos que el original y, por lo tanto, será el núcleo de un elemento químico diferente. Una vez que los electrones se han reorganizado (y los dos electrones sobrantes se han alejado), el átomo, de hecho, habrá cambiado de identidad.
En la desintegración beta, uno de los neutrones del núcleo se convierte en un protón, un electrón de rápido movimiento y una partícula llamada neutrino. Esta emisión de electrones rápidos se llama radiación beta. El núcleo hijo tiene un neutrón menos y un protón más que el original y por lo tanto, de nuevo, es un elemento químico diferente.
En la desintegración gamma, un protón o neutrón da un salto cuántico de una órbita superior a una inferior, emitiendo un fotón de alta energía en el proceso. En este caso, la identidad química del núcleo hijo es la misma que la original.
Cuando un núcleo radiactivo se descompone, a menudo sucede que el núcleo hijo también es radiactivo. Esta hija se descompondrá a su vez, y el núcleo hija de esa descomposición también puede ser radiactivo. Por lo tanto, una colección de átomos idénticos puede, con el tiempo, convertirse en una mezcla de muchos tipos de átomos debido a desintegraciones sucesivas. Tales desintegraciones continuarán hasta que se produzcan núcleos hijos estables. Este proceso, llamado cadena de descomposición, opera en todas partes de la naturaleza. Por ejemplo, el uranio-238 se desintegra con un período de semidesintegración de 4.5 mil millones de años en torio-234, que decae en 24 días en protactinio-234, que también decae. Este proceso continúa hasta llegar al plomo-206, que es estable (ver datación de uranio-torio-plomo). Elementos peligrosos como el radio y el radón se producen continuamente en la corteza terrestre como pasos intermedios en las cadenas de descomposición.