Digital Vision./Digital Vision/Getty Images
Kärnan i en atom är uppbyggd av protoner och neutroner, själva kompositer av kvarkar. Varje grundämne har ett fast protonantal, men isotoper skiljer sig i neutronantal. När en kärna kan nå en konfiguration med lägre energi, kan den förvandlas till ett annat element.
Kvantmekaniken säger oss att en instabil kärna så småningom kommer att kasta energi, men den kan inte förutsäga det exakta ögonblicket för sönderfall för någon enskild atom. Istället ger det en halveringstid:den genomsnittliga tid under vilken en stor grupp identiska kärnor kommer att förfalla. De första tre identifierade sönderfallslägena – alfa, beta och gamma – utgör ryggraden i radioaktivt sönderfall.
Alfasönderfall skjuter ut en heliumkärna (två protoner och två neutroner). Till exempel avger uran-238 (92p+146n) en alfapartikel för att bli torium-234 (90p+144n). Beta-sönderfall omvandlar en neutron till en proton och avger en elektron och en antineutrino. Kol-14 (6p+8n) genomgår betasönderfall till kväve-14 (7p+7n).
Efter alfa- eller beta-emission förblir dotterkärnan ofta i ett exciterat tillstånd. För att nå sitt grundtillstånd frigör kärnan överskottsenergin som en gammastråle - en elektromagnetisk foton med en frekvens som är mycket högre än synligt ljus. Gammastrålar färdas med ljusets hastighet och bär bara energi, ingen laddning eller massa. Ett klassiskt fall är kobolt-60, som beta-sönderfaller till nickel-60 och sedan avger två gammafotoner när det sätter sig på sin lägsta energinivå.
De flesta exciterade kärnor sänder ut gammastrålar nästan omedelbart, men vissa är "metastabila" och håller kvar överskottsenergin under tider som sträcker sig från bråkdelar av en sekund till många år - när en förändring i kärnspinn blockerar omedelbar gammaemission. När en omgivande elektron absorberar en gammafoton, kan elektronen kastas ut från sin bana i den fotoelektriska effekten, vilket illustrerar den intima kopplingen mellan kärn- och atomprocesser.
