Digitale visie./Digitale visie/Getty Images

De kern van een atoom is opgebouwd uit protonen en neutronen, die zelf samengesteld zijn uit quarks. Elk element heeft een vast aantal protonen, maar isotopen verschillen in neutronenaantal. Wanneer een kern een configuratie met lagere energie kan bereiken, kan deze in een ander element transformeren.

Radioactief verval

De kwantummechanica vertelt ons dat een onstabiele kern uiteindelijk energie zal afgeven, maar kan voor geen enkel atoom het exacte moment van verval voorspellen. In plaats daarvan biedt het een halfwaardetijd:de gemiddelde tijd waarin een grote groep identieke kernen zal vervallen. De eerste drie geïdentificeerde vervalmodi – alfa, bèta en gamma – vormen de ruggengraat van radioactief verval.

Deeltjesemissie

Alfa-verval werpt een heliumkern uit (twee protonen en twee neutronen). Uranium-238 (92p+146n) zendt bijvoorbeeld een alfadeeltje uit en wordt thorium-234 (90p+144n). Bètaverval zet een neutron om in een proton, waarbij een elektron en een antineutrino worden uitgezonden. Koolstof-14 (6p+8n) ondergaat bèta-verval tot stikstof-14 (7p+7n).

Gammastraling

Na alfa- of bèta-emissie blijft de dochterkern vaak in een aangeslagen toestand. Om zijn grondtoestand te bereiken, geeft de kern de overtollige energie vrij in de vorm van gammastraling:een elektromagnetisch foton met een frequentie die veel hoger is dan die van zichtbaar licht. Gammastraling reist met lichtsnelheid en vervoert alleen energie, geen lading of massa. Een klassiek geval is kobalt-60, dat bèta-vervalt tot nikkel-60 en vervolgens twee gammafotonen uitzendt terwijl het zijn laagste energieniveau bereikt.

Speciale effecten

De meeste aangeslagen kernen zenden vrijwel onmiddellijk gammastraling uit, maar sommige zijn ‘metastabiel’, waarbij ze de overtollige energie vasthouden gedurende een fractie van een seconde tot vele jaren – wanneer een verandering in de kernspin de onmiddellijke gamma-emissie blokkeert. Wanneer een omringend elektron een gammafoton absorbeert, kan het elektron door het foto-elektrische effect uit zijn baan worden geslingerd, wat het nauwe verband tussen nucleaire en atomaire processen illustreert.