Rozpady jądrowe zachodzą zawsze (prędzej czy później) jeśli jądro o pewnej liczbie nukleonów znajdzie się w stanie energetycznym, nie będącym najniższym możliwym dla układu o tej liczbie nukleonów. Takie nietrwałe (w stanach niestabilnych) jądra mogą powstać w wyniku reakcji jądrowych. Niektóre reakcje są wynikiem działań laboratoryjnych, inne dokonały się podczas powstawania naszej części Wszechświata.

Jądra nietrwałe pochodzenia naturalnego są nazywane promieniotwórczymi, a ich rozpady noszą nazwę rozpadów promieniotwórczych. Rozpady promieniotwórcze dostarczają wielu informacji zarówno o jądrach atomowych ich budowie, stanach energetycznych, oddziaływaniach ale również wielu zasadniczych informacji o pochodzeniu Wszechświata.

Badając własności promieniotwórczości stwierdzono, że istnieją trzy rodzaje promieniowania alfa ( \( \alpha \)), beta( \( \beta \)) i gamma ( \( \gamma \)). Po dalszych badaniach stwierdzono, że promienie \( \alpha \) to jądra helu, promienie \( \gamma \) to fotony, a promienie \( \beta \) to elektrony lub pozytony (cząstka elementarna dodatnia o masie równej masie elektronu).

Rozpad alfa

Szczególnie ważnym rozpadem promieniotwórczym jest rozpad alfa ( \( \alpha \)) występujący zazwyczaj w jądrach o \( Z \) ≥ 82. Rozpad alfa polega na przemianie niestabilnego jądra w nowe jądro przy emisji jądra \( ^{4} \)He tzn. cząstki \( \alpha \).

Zgodnie z Oddziaływanie nukleon-nukleon-Rys. 2 dla ciężkich jąder energia wiązania pojedynczego nukleonu maleje ze wzrostem liczby masowej, więc zmniejszenie liczby nukleonów (w wyniku wypromieniowania cząstki \( \alpha \)) prowadzi do powstania silniej związanego jądra. Proces zachodzi samorzutnie bo jest korzystny energetycznie. Energia wyzwolona w czasie rozpadu (energetyczny równoważnik niedoboru masy) jest unoszona przez cząstkę \( \alpha \) w postaci energii kinetycznej. Przykładowa reakcja dla jądra uranu wygląda następująco

Rozpad beta

Istnieją optymalne liczby protonów i neutronów, które tworzą jądra najsilniej związane (stabilne). Jądra, których ilość protonów \( Z \) różni się od wartości odpowiadającej stabilnym jądrom o tej samej liczbie masowej \( A \), mogą zmieniać \( Z \) w kierunku jąder stabilnych poprzez rozpad beta ( \( \beta \)).

Jeżeli rozpatrywane jądro ma większą od optymalnej liczbę neutronów to w jądrze takim zachodzi przemiana neutronu w proton

Neutron n rozpada się na proton p, elektron e \( ^{-} \) i antyneutrino \( {\overline{{v}}} \) (cząstka elementarna o zerowym ładunku i praktycznie zerowej masie spoczynkowej). Ten proces nosi nazwę rozpadu \( \beta \) \( ^{-} \) (beta minus). Przykładem takiej przemiany jest rozpad uranu \( ^{239} \)U

Powstały izotop też nie jest trwały i podlega dalszemu rozpadowi

Zauważmy, że w takim procesie liczba protonów \( Z \) wzrasta o jeden, a liczba nukleonów \( A \) pozostaje bez zmiany. \( Z \) kolei, gdy jądro ma nadmiar protonów to zachodzi proces przemiany protonu w neutron

Proton p rozpada się na neutron n, pozyton e \( ^{-} \) i neutrino v (cząstka elementarna o własnościach bardzo zbliżonych do antyneutrina). Ten proces nosi nazwę rozpadu \( \beta ^{+} \) (beta plus). W tym procesie liczba protonów \( Z \) maleje o jeden, a liczba nukleonów \( A \) pozostaje bez zmiany.

Pierwiastki powstające w rozpadach alfa i beta są na ogół także promieniotwórcze i ulegają dalszemu rozpadowi. Większość naturalnych pierwiastków promieniotwórczych można podzielić na trzy grupy, nazywane szeregami promieniotwórczymi. W szeregu uranu rozpoczynającym się od \( _{\text{92}}^{\text{238}} \)U liczby masowe zmieniają się według wzoru 4n + 2. W szeregu aktynu rozpoczynającym się od \( _{\text{92}}^{\text{235}} \)U liczby masowe zmieniają się według wzoru 4n + 3, a w szeregu toru rozpoczynającym się od \( _{\text{90}}^{\text{232}} \)Th liczby masowe są opisane wzorem 4n. Wszystkie trzy szeregi kończą się na trwałych izotopach ołowiu.

Każdy naturalny materiał promieniotwórczy zawiera wszystkie pierwiastki wchodzące w skład danej rodziny i dlatego promieniowanie wysyłane, np. przez minerały jest bardzo złożone.

Promieniowanie gamma

Rozpadom alfa i beta towarzyszy zazwyczaj emisja wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego zwanego promieniowaniem gamma ( \( \gamma \)). Ta samoczynna emisja fotonów następuje gdy jądra posiadające nadmiar energii czyli znajdujące się w stanie wzbudzonym przechodzą do niższych stanów energetycznych. Widmo promieniowania \( \gamma \) ma charakter liniowy tak jak charakterystyczne promieniowanie X i bardzo wysoką energię, tysiące razy większą od energii fotonów wysyłanych przez atomy.

Jądra w stanie wzbudzonym można również otrzymać za pomocą neutronów o małej energii. Przykładowo, jeżeli skierujemy wiązkę takich powolnych neutronów na próbkę uranu \( ^{238} \)U, to część neutronów zostanie wychwyconych i powstaną jądra uranu \( ^{239} \)U* w stanie wzbudzonym (oznaczone *). Takie jądra przechodzą do stanu podstawowego emitując kwanty \( \gamma \). Proces ten przebiega następująco

oraz

Podkreślmy, że emisji promieniowania gamma nie towarzyszy zmiana liczby masowej ani liczby atomowej.