Думата радиоактивност може да се чуе често в новините. Може да я видиш, когато четеш дискусии за ядрената енергия, за трагедията с реактора във Фукушима или за разработването на ядрени оръжия. Появява се и в популярната култура: радиацията е замесена в „историите за произхода“ на много супер герои, в случая на Спайдърмен – ухапване от радиоактивен паяк.

Радиоактивността, всъщност, е свойство на атома. Радиоактивните атоми имат нестабилни ядра, които освобождават субатомни частици, за да станат по-стабилни, като при този процес се отделя енергия – радиация. Често един елемент може да има както радиоактивен, така и нерадиоактивен вариант, които се различават по броя на неутроните, които съдържат. Тези различни варианти се наричат изотопи. Малки количества радиоактивни изотопи често се срещат в природата. В атмосферата например има малко количество въглерод, който е под формата на радиоактивен въглерод-14. Количеството на въглерод-14, което се съдържа във вкаменелостите, помага на палеонтолозите да определят тяхната възраст.

В тази статия ще разгледаме в подробности субатомните частици, които се съдържат в атомите, и ще обясним какво прави даден изотоп радиоактивен.

Атомите на всеки елемент съдържат определен брой протони. Броят на протоните определя кой атом разглеждаме. Например всички атоми с шест протона са въглеродни атоми. Броят на протоните в атома се нарича атомен номер. За разлика от него, броят на неутроните в атомите на даден елемент може да бъде различен. Разновидностите на един и същ елемент, които се различават само по броя на неутроните си, се наричат изотопи. Общият брой на протоните и на неутроните определя масовото число: масово число = протони + неутрони. Ако искаш да пресметнеш колко неутрони има определен атом, можеш просто да извадиш броя на протоните или атомния номер от масовото число.

Свойство, което е тясно свързано с масовото число на атома, е неговата атомна маса. Атомната маса на един атом е цялата му маса и обикновено се изразява чрез единица за атомна маса (е.а.м.). По дефиниция един атом въглерод с шест неутрона - въглерод-12, има атомна маса равна на 12 е.а.м. В повечето случаи масата на останалите елементи не е цяло число по причини, които няма да засягаме в тази статия. Но принципно атомната маса на атома е много близка до масовото му число с известна разлика в знаците след десетичната запетая.

Тъй като изотопите на даден елемент могат да имат различна атомна маса, учените определят и относителна атомна маса, понякога наричана атомно тегло на елемента. Относителната атомна маса е средна стойност от атомните маси на всички различни изотопи в дадена проба. Доколко даден изотоп допринася за средната стойност зависи от това каква част от пробата съставя. Относителните атомни маси, представени в периодичната система, като 1 за водорода на схемата по-долу, са изчислени за всички естествено срещани изотопи на всеки елемент, като е отчетено разпространението им на Земята. В извънземни обекти като астероиди или метеори разпространението на изотопите на даден елемент може да бъде много различно.

Както споменахме, изотопите са различни форми на даден елемент, те имат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони. Много елементи като въглерода, калия и урана имат множество естествено срещани изотопи. Неутралният атом на въглерод-12 има шест протона, шест неутрона и шест електрона, затова масовото му число е 12 (шест протона плюс шест неутрона). Неутралният атом на въглерод-14 съдържа шест протона, осем неутрона и шест електрона, неговото масово число e 14 (шест протона плюс осем неутрона). Тези две форми са изотопи на въглерода.

Някои изотопи са стабилни, но други могат да излъчват субатомни частици, за да достигнат по-стабилна конфигурация с по-ниска енергия. Такива изотопи се наричат радиоизотопи, а процесът, при който отделят частици и енергия, се нарича разпад. Радиоактивният разпад може да доведе до промяна в броя на протоните в ядрото и когато това се случи, идентичността на атома се променя (например въглерод-14 се разлага до азот-14).

Радиоактивният разпад е случаен, но експоненциален процес, а периодът на полуразпад на даден изотоп е периодът от време, за който половината от материала се разпада до друг, относително стабилен продукт. Съотношението на първоначалния изотоп към неговия продукт на разпад и стабилни изотопи се променя предвидимо. Това позволява относителното съдържание на изотопа да се използва като "часовник", който отмерва времето от влагането на изотопа (във вкаменелост например) до сегашния момент.

Въглеродът присъства в атмосферата под формата на газове като въглероден диоксид и съществува в три изотопни форми: въглерод-12 и въглерод-13, които са стабилни, и въглерод-14, който е радиоактивен. Съотношението на тези въглеродни форми в атмосферата е относително постоянно. Въглерод-12 е най-често срещаната форма, той съставя около 99% от въглерода в атмосферата, въглерод-13 съставя около 1%, а частта на въглерод-14 е съвсем малка${}^1$‍. Тъй като растенията използват въглероден диоксид от въздуха за изграждане на собствени захари, относителното количество на въглерод-14 в тъканите им се равнява на концентрацията на въглерод-14 в атмосферата. Животните се хранят с растения или с други животни, които се хранят с растения, следователно концентрацията на въглерод-14 в телата им също съответства на атмосферната му концентрация. Когато даден организъм умре, той спира да поема въглерод-14. Тогава съотношението на въглерод-14 към въглерод-12 в неговите останки (като вкаменелости на кости, например) започва да намалява, тъй като въглерод-14 постепенно се разпада до азот-14${}^2$‍.

След един период на полуразпад, който е с продължителност около 5730 години, половината от въглерод-14, който първоначално е бил налице, се превръща в азот-14. Това свойство може да се използва за датиране на обекти, които са били част от живи организми, като кости или дървесина. Ако сравним съотношението на концентрацията на въглерод-14 към въглерод-12 в обекта със съотношението им в атмосферата, което е еквивалентно на началната им концентрация в обекта, частта от изотопа, която все още не е претърпяла разпад може да бъде установена. Въз основа на тази част с точност може да се пресметне възрастта на обекта, ако той не е много по-стар от 50 000 години. Други елементи имат изотопи с различен период на полуразпад и могат да се използват за датиране в други времеви граници. Например периодът на полуразпад на калий-40 е 1,25 милиарда години. А този на уран-235 е 700 милиона години, затова този изотоп се използва за определяне на възрастта на лунни скали${}^2$‍.