radioactief verval
de kernen van de meeste alledaagse atomen zijn stabiel—dat wil zeggen, ze veranderen niet in de tijd. Deze uitspraak is echter enigszins misleidend, omdat kernen die niet stabiel zijn over het algemeen niet lang duren en dus meestal geen deel uitmaken van de dagelijkse ervaring. In feite zijn de meeste van de bekende isotopen van kernen niet stabiel; in plaats daarvan gaan ze door een proces genaamd radioactief verval, dat vaak de identiteit van het oorspronkelijke atoom verandert.
bij radioactief verval zal een kern gedurende een onvoorspelbare periode onveranderd blijven en vervolgens een deeltje of foton met hoge snelheid uitzenden, waarna een andere kern het origineel heeft vervangen. Elke instabiele isotoop vervalt met een andere snelheid; dat wil zeggen, elk heeft een andere kans op verval binnen een bepaalde periode (zie vervalconstante). Een verzameling van identieke onstabiele kernen verval niet allemaal tegelijk. In plaats daarvan, zoals popcorn popping in een pan, zullen ze individueel verval over een periode van tijd. De tijd die nodig is voor de helft van het oorspronkelijke monster om te bederven wordt genoemd de halfwaardetijd van de isotoop. Halfwaardetijden van bekende isotopen variëren van microseconden tot miljarden jaren. Uranium-238 (238U) heeft een halfwaardetijd van ongeveer 4,5 miljard jaar, ongeveer de tijd die is verstreken sinds de vorming van het zonnestelsel. Zo heeft de aarde ongeveer de helft van de 238U die het had toen het werd gevormd.
er zijn drie verschillende soorten radioactief verval. In de late 19e eeuw, toen straling nog mysterieus was, werden deze vormen van verval aangeduid als alfa, bèta en gamma. In alfabederf stoot een kern twee protonen en twee neutronen uit, die allemaal aan elkaar vastzitten in wat een alfa-deeltje wordt genoemd (later ontdekt dat het identiek is aan de kern van een normaal heliumatoom). De dochter, of vervallen, kern zal twee minder protonen en twee minder neutronen dan de oorspronkelijke en dus zal de kern van een ander chemisch element. Zodra de elektronen zichzelf hebben herschikt (en de twee overtollige elektronen zijn afgedwaald), zal het atoom in feite van identiteit zijn veranderd.
bij beta-verval verandert een van de neutronen in een proton, een snel bewegend elektron en een deeltje dat een neutrino wordt genoemd. Deze emissie van snelle elektronen wordt bètastraling genoemd. De dochterkern heeft één neutron minder en één proton meer dan het origineel en is dus weer een ander chemisch element.
bij gammaverval maakt een proton of neutron een kwantumsprong van een hogere naar een lagere baan, waarbij een hoog-energetisch foton wordt uitgezonden. In dit geval is de chemische identiteit van de dochterkern dezelfde als het origineel.
wanneer een radioactieve kern vervalt, komt het vaak voor dat de dochterkern ook radioactief is. Deze dochter zal op zijn beurt vergaan, en de dochterkern van dat verval kan ook radioactief zijn. Zo kan een verzameling identieke atomen, na verloop van tijd, worden omgezet in een mengsel van vele soorten atomen als gevolg van opeenvolgende verval. Dergelijke verval zal doorgaan totdat stabiele dochterkernen worden geproduceerd. Dit proces, een vervalketen genoemd, werkt overal in de natuur. Bijvoorbeeld, uranium-238 vervalt met een halfwaardetijd van 4.5 miljard jaar in thorium-234, die vervalt in 24 dagen in protactinium-234, die ook vervalt. Dit proces gaat door tot het lood-206 krijgt, dat stabiel is (zie uranium-thorium-lood datering). Gevaarlijke elementen zoals radium en radon worden voortdurend geproduceerd in de aardkorst als tussenstappen in vervalketens.