radioaktivt sönderfall
kärnorna i de flesta vardagliga atomer är stabila—det vill säga de förändras inte över tiden. Detta uttalande är dock något vilseledande, eftersom kärnor som inte är stabila i allmänhet inte håller länge och därför tenderar att inte vara en del av vardagen. Faktiskt, de flesta av de kända isotoperna av kärnor är inte stabila; istället, de går igenom en process som kallas radioaktivt sönderfall, som ofta ändrar identiteten på den ursprungliga atomen.
i radioaktivt sönderfall kommer en kärna att förbli oförändrad under en oförutsägbar period och sedan avge en höghastighetspartikel eller foton, varefter en annan kärna kommer att ha ersatt originalet. Varje instabil isotop förfaller i en annan takt; det vill säga var och en har en annan sannolikhet att förfalla inom en given tidsperiod (se sönderfallskonstant). En samling av identiska instabila kärnor förfaller inte alla på en gång. Istället, som popcorn poppar i en kastrull, de kommer att förfalla individuellt under en tidsperiod. Den tid det tar för hälften av det ursprungliga provet att förfalla kallas halveringstiden för isotopen. Halveringstider för kända isotoper sträcker sig från mikrosekunder till miljarder år. Uran – 238 (238U) har en halveringstid på cirka 4,5 miljarder år, vilket är ungefär den tid som har gått sedan solsystemet bildades. Således har jorden ungefär hälften av 238U som den hade när den bildades.
det finns tre olika typer av radioaktivt sönderfall. I slutet av 19-talet, när strålningen var fortfarande mystisk, dessa former av förfall betecknades alfa, beta, och gamma. I alfaförfall matar en kärna ut två protoner och två neutroner, alla låsta ihop i det som kallas en alfapartikel (senare upptäckt att vara identisk med kärnan i en normal heliumatom). Dottern, eller förfallna, kärnan kommer att ha två färre protoner och två färre neutroner än originalet och därmed kommer att vara kärnan i ett annat kemiskt element. När elektronerna har ordnat om sig själva (och de två överskottselektronerna har vandrat bort) kommer atomen faktiskt att ha ändrat identitet.
vid betaförfall blir en av neutronerna i kärnan en proton, en snabbrörlig elektron och en partikel som kallas neutrino. Denna utsläpp av snabba elektroner kallas beta-strålning. Dotterkärnan har en färre neutron och en proton mer än originalet och är därför återigen ett annat kemiskt element.
i gammaförfall gör en proton eller neutron ett kvantesprång från en högre till en lägre bana och avger en högenergifoton i processen. I detta fall är dotterkärnans kemiska identitet densamma som originalet.
när en radioaktiv kärna sönderfaller händer det ofta att dotterkärnan också är radioaktiv. Denna dotter kommer att förfalla i sin tur, och dotterkärnan i det förfallet kan också vara radioaktivt. Således kan en samling identiska atomer med tiden omvandlas till en blandning av många typer av atomer på grund av successiva sönderfall. Sådana sönderfall kommer att fortsätta tills stabila dotterkärnor produceras. Denna process, kallad en sönderfallskedja, fungerar överallt i naturen. Till exempel sönder uran-238 med en halveringstid på 4.5 miljarder år in i torium-234, som sönderfaller på 24 dagar till protactinium-234, som också sönderfaller. Denna process fortsätter tills den kommer att leda-206, som är stabil (se uran-thorium-bly dating). Farliga ämnen som radium och radon produceras kontinuerligt i jordskorpan som mellanliggande steg i sönderfallskedjor.