Částice & radioativita
Částice & radioativita
Již první antičtí filosofové se zabývali otázkou, čím je tvořena hmota, ze které se skládá vše okolo nás. Vznikaly různé teorie, které se nám už dnes mohou zdát nesmyslné. Někteří učenci se domnívali, že všechna hmota je tvořena jednou nebo více pralátkami, pro někoho to byla voda, pro jiného např. oheň nebo vzduch.
Někdy v 5.století vystoupili filosofové Leukippos a Démokritos s novou a pro nás mnohem důležitější teorií. Podle této teorie není hmota donekonečna dělitelná. Pokud bychom měli např. kus papíru a roztrhli ho na dvě poloviny, vzali jednu polovinu a znovu ji roztrhli a takto pokračovali, teoreticky bychom nakonec dospěli k tak malé částečce, že ji už dále nelze rozdělit. Všechna hmota je tvořena těmito částečkami, které se nachází v prázdném prostoru, kde neexistuje nic jiného. Každá látka je tvořena jiným typem atomů, čímž jsou způsobeny rozdílné vlastnosti těchto látek. Tato teorie má ještě hodně daleko k našim dnešním poznatkům, ale o mnoho let později inspirovala vědce k velkému pokroku. Nebylo však možné ji nijak dokázat, a tak nebyla všeobecně uznávána.
První pokusy, které měly k atomismu nějaký vztah, provedl v 17. století britský vědec Robert Boyle. Do zkumavky ve tvaru písmene J a kratším ramenem uzavřeným nalil malý objem rtuti a pozoroval, jak je uzavřený vzduch v kratším ramenu stlačován, když rtuť dále přiléval. Tento jev se dal snadno vysvětlit pomocí atomů. Když vzrostl tlak, atomy v prázdném prostoru se k sobě více přiblížily. Robert Boyle prohlásil, že je třeba experimentálně zjistit, z jakých základních látek je stvořena hmota. Látky, které se nedají rozložit na látky jednodušší, jsou prvky, ostatní látky jsou sloučeniny. Jako prvky byly takto určeny například zlato, stříbro, měď, železo, cín a rtuť.
Francouzský fyzik a chemik Joseph Louis Proust (1754-1826) se zabýval složením sloučenin a zjistil, že stejná sloučenina je vždy složena ze stejného hmotnostního poměru určitých prvků. Tento jev, který byl nazván zákonem stálých slučovacích poměrů, opět dobře zapadal do atomistické teorie. Tímto problémem se zabýval také anglický chemik John Dalton (1766-1844), který zjistil,že uhlík a kyslík mohou tvořit plyn v poměru 3:4 nebo 3:8. Usoudil, že první plyn je tvořen jedním atomem uhlíku a jedním atomem vodíku a druhý jedním atomem uhlíku a dvěma atomy kyslíku. Tyto plyny dnes nazýváme oxid uhelnatý a uhličitý a shluky atomů, které tvoří sloučeniny, byly pojmenovány molekuly.
Většina vědců se postupně začala přiklánět k atomové teorii. Jedním z nejpádnějších argumentů byl tzv. Brownův pohyb. Když roku 1827 zkoumal skotský botanik Robert Brown mikroskopem zrnka pylu ve vodě, zjistil, že se neustále chaoticky pohybují, jakoby se chvěla. V roce 1905 to vysvětlil Albert Einstein (1879-1955) aplikací rovnic skotského matematika Jamese Clerka Maxwella (1831-1879), které popisují neustálý pohyb atomů a molekul. Atomy a molekuly se stále pohybují a naráží na sebe. Když ve vodě plave větší těleso, molekuly vody na ně naráží ze všech stran relativně rovnoměrně a žádné chvění nemůžeme pozorovat. Pokud je ale těleso dostatečně malé a narazí na ně ve stejné chvíli z jedné strany více molekul než ze strany druhé, těleso je odraženo na druhou stranu, tím se srazí s více molekulami na této straně a je opět odraženo zpět.
V roce 1955 byly přístrojem, který vynalezl německý fyzik E. W. Mueller (1911-1977), pořízeny snímky zvětšeného hrotu jehly, na nichž je možno rozeznat atomy jako malé světélkující body.
Pokud mohou atomy tvořit rozdílné prvky, musí mezi těmito atomy být nějaký podstatný rozdíl. Jiné atomy tvoří zlato a jiné olovo. Dalton se domníval, že pokud je molekula vody tvořena vodíkem a kyslíkem při slučovacím poměru osm dílů kyslíku na jeden díl vodíku, pak atom kyslíku musí vážit osmkrát více než atom vodíku. Naneštěstí Dalton mohl pouze přepokládat, že vodu tvoří jeden atom kyslíku a jeden atom vodíku. V roce 1800 nechal britský chemik William Nicholson (1753-1815) procházet vodou s příměsí kyseliny elektrický proud a z uvolněného plynu získal osmkrát větší hmotnost kyslíku než vodíku. Získaný vodík však zabíral dvakrát větší objem. Nicholson se domníval, že molekulu vody tvoří jeden atom kyslíku a dva atomy vodíku. Jeden atom kyslíku by pak musel mít hmotnost šestnáctkrát vyšší než atom vodíku. Roku 1811 z toho italský fyzik Amadeo Avogadro (1776-1856) vyvodil obecnější závěr. Pokud dva atomy plynného vodíku mají dvojnásobný objem než jeden atom plynného kyslíku, znamená to, že stejný počet molekul plynu má vždy stejný objem.
Fyzikové se dále snažili seřadit prvky podle hmotnosti jejich atomů. Vodík je nejlehčí prvek, byla mu tedy přiřazena hmotnost 1. Hmotnost se neudávala v žádných jednotkách hmotnosti, bylo to pouze poměrné číslo. Na kyslík tak vycházela o něco menší relativní hmotnost než 16. Pro větší praktičnost byla relativní hmotnost kyslíku určena jako přesně 16, vodíku tím připadlo číslo jen o málo větší než 1. Ruský chemik Dmitrij Ivanovič Mendělejev (1834-1907) zjistil, že u prvků seřazených za sebe podle vzrůstající atomové hmotnosti se periodicky opakují určité vlastnosti prvků. V první periodické tabulce, kterou vytvořil, byly mezi některými prvky volná místa. Mendělejev předpověděl, že volná místa patří ještě neobjeveným prvkům a dokonce velmi přesně určil některé jejich vlastnosti ještě před tím, než byly tyto prvky objeveny. Nikdo však nedokázal vysvětlit, čím jsou tyto vlastnosti prvků způsobeny.
Většina atomistů, kteří přepokládali, že atom je dále nedělitelný, neměli důvod se zabývat tím, z čeho je atom složený. Poznatky o vnitřní struktuře atomu byly získány až později.
První informace o tom, co se skrývá uvnitř atomu, byly získány při experimentech s elektřinou. Vědci, kteří se snažili objasnit podstatu elektřiny studovali elektrický výboj. Ten se projevuje zábleskem světla a zvukem praskání. Obojí jsou ale jen vnější projevy a ne to, čím je výboj tvořen. Světlo vyzařuje vzduch zahřátý na vysokou teplotu a zvukový efekt je způsoben rozpínáním a smršťováním vzduchu, který se při výboji ohřívá a opět chladne. Aby se zbavili těchto nežádoucích efektů, zhotovili němečtí vynálezci Johann Geissler a Julius Plucker v roce 1858 vzduchoprázdnou nádobu, do níž byly zataveny proti sobě dva kousky kovu - katoda a anoda. Elektrický výboj v této nádobě se projevoval nazelenalým žhnutím na katodě, které nikdo nedokázal vysvětlit. Toto žhnutí bylo nazváno katodové paprsky. Pokud se za katodu umístil nějaký objekt, žhnutí vrhalo směrem ke katodě stín. To znamenalo, že se nějaké částice při výboji pohybují od katody k anodě. Někteří fyzikové si naopak mysleli, že se nejedná o částice, ale o vlnění. Katodové paprsky ale přenášely záporný náboj a nebylo známo žádné vlnění, které umělo náboj nést. Britský fyzik Joseph John Thomson (1856-1940) provedl v roce 1897 experiment, při němž nechal procházet katodové paprsky mezi dvěma rovnoběžnými nabitými deskami. Paprsky se znatelně zakřivily směrem ke kladnému náboji. Většinu vědců experiment přesvědčil o korpuskulární povaze katodových paprsků.
Anglický vědec Michael Faraday (1791-1867) určil svými elektrochemickými zákony náboj jedné této částice a z odchylky částic v magnetickém a elektrickém poli vypočítal Thomson jejich hmotnost. Tato částice, která byla nazvána elektron měla hmotnost jen 1/1837 nejmenšího známého atomu - vodíku. Vědci tedy zjistili, že hmota kromě atomů může existovat taky jako elektrony. Nevěděli však, jaký je mezi atomy a elektrony vztah.
Faraday se také zabýval vedením elektrického proudu v roztocích. Proud vedou roztoky pouze některých látek. Tyto látky se nazývají elektrolyty. Faraday zjistil, že něco v roztoku elektrolytu nese kladný náboj na jednu stranu a záporný na opačnou. Tyto nositele nazval ionty, nebyl však schopný zjistit, co to ionty jsou. Švédský chemik Svante August Arrhemius (1859-1927), přišel s teorií, že molekula elektrolytu, například kuchyňské soli - NaCl, se ve vodě rozštěpí (disociuje) na více částí, v případě NaCl na dvě "půlmolekuly" Na a Cl. Nejedná se ale o obyčejné atomy, tyto ionty mají zcela jiné vlastnosti, a to právě proto, že nesou elektrický náboj. Iont chlóru se nabíjí záporně a iont sodíku kladně. Jak je ale možné, že by mohl nedělitelný atom získat náboj ? Pokud jsou v atomu obsaženy elektrony, atom sodíku by mohl jeden elektron předat atomu chlóru a tím by vznikly ionty.
Jako důkaz přítomnosti elektronů v atomech to ale nestačilo a vědci se snažili přesvědčit o existenci elektronů v atomech, tak že by nějakým způsobem elektrony z atomu přímo získali. Bylo zjištěno, že dopadající světlo může uvolnit z látky elektrický náboj. Světlo se ale nechovalo ke každému náboji stejně. Kousek zinku nesoucí záporný náboj tento náboj ztratil, ale kladně kousek zinku nebyl světlem nijak ovlivněn. Tento jev byl nazván fotoelektrický. Jestliže se při dopadu světla (nebo UV záření) z atomů uvolňují elektrony, musí tam být obsaženy. Když dopadá světlo na záporně nabitý kousek zinku s přebytkem elektronů, elektrony se uvolní a atom ztrácí záporný náboj. Pokud světlo dopadá na kladně nabitý kousek zinku s nedostatkem elektronů, elektrony se uvolnit nemohou a náboj zůstává.
Pokud atom, o kterém víme, že je navenek elektroneutrální, obsahuje záporně nabité elektrony, zůstává nám jeden problém. Něco uvnitř atomu musí nést také kladný náboj, který by zneutralizoval náboj elektronů. Thomson se domníval, že atom je sám o sobě kladně nabitý, ale pokud má dostatek elektronů, je navenek neutrální. Pokud má nedostatek nebo přebytek elektronů, získává náboj a stane se iontem. Thomson stále považoval atom za pevný a neměnný, pouze s pohyblivým nábojem.
Tak tomu však nemohlo být. Philipp Lenard v roce 1903 pozoroval, jak elektrony, které tvoří katodové paprsky, pronikají tenkou kovovou fólií, což naznačovalo, že v atomu je volný prostor, kterým mohou elektrony proniknout skrz. Lenard navrhoval model, podle kterého je atom tvořen oblakem elektronů a jim podobných kladně nabitých částic. Kladné a záporné částice okolo sebe obíhají, a tvoří tak elektroneutrální dvojici. Mezi těmito částicemi je dostatek prostoru, aby jím pronikly katodové paprsky.
Toto vysvětlení ale taky nebylo dokonalé. Kladné částice a elektrony by se měly chovat stejně. Při fotoelektrickém jevu by se měl například uvolňovat kladný náboj stejně snadno jako záporný. Japonský fyzik Hantaro Nagaoka (1865-1950) se domníval, že kladně nabitá část atomu se nachází v jeho středu a okolo ní je volný prostor. Neměl ale žádné pozorování, kterým by to podepřel.
K pozorování, které zapříčinilo další pokrok, došlo v podstatě náhodou. Francouzský fyzik Antoine Henri Bequerel (1852-1908), který se snažil pozorovat roentgenovo záření, zjistil, že krystaly síranu uranylodraselného způsobují dosud neznámé záření. Záření, které bylo nazváno radioaktivita, pocházelo z atomu uranu, neboť jiné látky obsahující uran se chovaly podobně. Fyzik Ernest Rutherford (1871-1937) objevil v radioaktivním záření dvě složky. První označil alfa a druhou beta. Později byla objevena třetí složka, která se nazývá záření gama. Podle odchylky záření beta v magnetickém poli bylo zjištěno, že je tvořeno záporně nabitými částicemi. Když roku 1900 určil Becquerel jejich hmotnost a velikost náboje, ukázalo se, že jsou to rychle letící elektrony. Paprsky gama se v magnetickém poli nevychylují, takže nemají náboj. Rutherford je nechal procházet pravidelným krystalem. Paprsky se při průchodu krystalem ohýbaly, což nasvědčovalo tomu, že je to elektromagnetické vlnění o velmi krátké vlnové délce.
Chování paprsků alfa v magnetickém poli ukazovalo, že nesou kladný náboj. Jsou to snad Lenardovy kladné částice, které tvoří spolu s elektrony atom ? Lenardovy kladně nabité částice by měly mít stejnou hmotnost jako elektron, ale tyto částice měly hmotnost 7344 krát větší. Rutherford se rozhodl tyto částice využít k průzkumu nitra atomu. Nechal částice alfa proházet velmi tenkou fólií zlata (vrstva byla tak tenká, že ji tvořilo přibližně 20000 atomů) a za folii umístil fotografickou desku. Většina částic prošla fólií a na desce zanechala stopy. Přibližně jedna z 8000 se ale odchýlila a devadesát nebo více stupňů. Na vysvětlení tohoto úkazu předložil Rutherford v roce 1911 svou představu struktury atomu. Podle ní je téměř všechna hmotnost atomu soustředěna v malém, kladně nabitém, jádru uprostřed atomu. Na okrajích atomu se pohybují elektrony.
Německý fyzik Eugen Goldstein (1850-1930), pozoroval záření, které postupovalo proti směru katodových paprsků. Toto záření mělo kladný náboj a bylo nazváno anodové paprsky. Roku 1908 zjistil německý fyzik Wilhelm Wien (1864-1928) podle chování anodových paprsků v magnetickém a elektrickém poli, že jejich hmotnost je mnohonásobně větší než hmotnost katodových paprsků, tedy elektronů. Hmotnost částic anodových paprsků odpovídala hmotnosti atomů plynů, jejichž stopy byly přítomny v katodové trubici. Existence anodových paprsků byla vysvětlena, tak, že letící elektrony z katodových paprsků vyrážejí elektrony z obalů atomů plynů. Kladně nabitá jádra bez elektronů jsou pak přitahována katodou.
V roce 1903 Rutherford zjistil, že částice alfa jsou velmi podobné anodovým paprskům. Jejich hmotnost je stejná jako hmotnost jádra helia. Proto umístil radioaktivní materiál do skleněné nádoby s dvojitými stěnami. Mezi stěnami bylo vakuum. Částice alfa pronikaly první tenčí stěnou, ale nemohly už projít tlustší vnější stěnou. Po několika dnech analyzoval Rutherford plyn, který se nahromadil mezi stěnami nádoby. Bylo to helium. Částice alfa byly tedy tvořeny jádry helia.
Fyzikové se snažili rozbít částice anodových paprsků na menší částečky, které by měly stejnou hmotnost jako elektron, ale opačný náboj, byly však neúspěšní. Roku 1914 Rutherford prohlásil, že pokud jádro vodíku je nejmenší známou kladně nabitou částicí a její náboj je přesně opačný než náboj elektronu, potom je toto jádro nejmenší kladnou částicí a nazval tuto částici proton.
Do této doby byly prvky řazeny v periodické tabulce podle atomové hmotnosti. v několika případech, ale musel být prvek s nižší hmotností zařazen za prvek s vyšší hmotností, aby byly zachovány opakující se vlastnosti prvků. Rutherfordův student Henry Moseley (1887-1915) vystoupil s myšlenkou, že velikost náboje jádra v periodické tabulce se při každém posuvu vzhůru zvyšuje o jeden násobek náboje protonu. Vodík - první prvek v tabulce má náboj jádra +1, helium +2 atd. až po tehdy nejtěžší známý prvek uran, který má náboj +92. Moseley nazval velikost náboje atomové (dnes říkáme spíše protonové) číslo prvku. Toto číslo je vždy celé. Všechny kladné náboje jsou násobkem náboje protonu, všechny záporné náboje jsou násobkem náboje elektronu. Aby byl atom navenek neutrální, obsahuje na každý proton jeden elektron, který vyrovnává kladný náboj jádra.
Když na počátku století experimentovali Marie Curie a její manžel Pierre s radioaktivním uranem a prvky, které vznikají jeho rozpadem, pozorovali často, že prvek, který má stejné protonové číslo, má často jiné radioaktivní vlastnosti. Jednou prvek vyzařoval například částice alfa, jindy zas ten samý prvek vyzařoval částice beta. Bylo zřejmé, že jádra stejného prvku se mohou něčím lišit. Tyto odlišné varianty stejného prvku, které byly později zjištěny i u prvků, které nejsou radioaktivní, byly nazvány izotopy. Bylo zjištěno, že izotopy se neliší protonovým číslem, ale atomovou hmotností ano.
Nějaký čas se vědci domnívali, že jádro atomu je tvořeno protony a elektrony. Když například jádro helia má protonové číslo 2 a relativní atomovou hmotnost 4, pak by obsahovalo 4 protony a 2 elektrony, které by téměř neovlivnily hmotnost atomu a náboj 4 protonů by snížily na +2. Tuto teorii navíc podporovala existence záření beta. (Zdálo se, že jádra vyzařující elektrony, je musí obsahovat.)
Tuto myšlenku ale vyvracely výpočty s tzv. spinovým číslem. Spin popisuje rotaci částice okolo své osy. Bylo dokázáno, že elektron i proton mají spin buď -0,5 nebo +0,5. Celkový spin jádra je součtem spinů částic, které je tvoří. To znamená, že atom, jehož součet atomové hmotnosti a jeho protonového čísla je sudý, má celočíselnou hodnotu spinu. Obsahoval by totiž sudý počet částic, jejichž spin je +0,5 nebo -0,5. Pokud se atom skládá z lichého počtu částic, jeho spin musí být polovinou celého čísla. Experimentálně bylo ale dokázáno, že jádro dusíku, které má relativní hmotnost 14 a protonové číslo 7 (součet elektronů a protonů lichý - 21), má spin buďto +1 nebo -1.
Rutherford přemýšlel, že by se spojení elektronu s protonem dalo považovat za novou částici. Tato částice by musela mít relativní hmotnost 1, náboj 0 a spin +0,5 nebo -0,5. Tato částice byla nazvána neutron. Roku 1930 zjistil německý fyzik Walter Bothe (1891-1957), že když bombardoval prvek berylium, vznikalo velmi pronikavé záření, které neneslo elektrický náboj. V roce 1932 Frederic Joliot-Curie a jeho žena Irene Joliot-Curie, dcera Pierra a Marie Curie, zjistili, že Botheovo záření může z atomů parafínu protony. Tyto pokusy zopakoval v roce 1932 britský fyzik James Chadwick (1891-1974) a usoudil, že záření, které je tak masivní, že vypudí proton a přitom je elektroneutrální, musí být do té doby pouze hypotetický neutron.
Brzy nato vyslovil německý fyzik a matematik Werner Karl Heisenberg (1901-1976) domněnku, že jádro je tvořeno zhuštěnými protony a neutrony. Součet protonů a neutronů se nazývá nukleonové číslo a označují se jím izotopy. Například dusík-14 má tedy 7 protonů a 7 neutronů a celočíselný spin.
Bylo zjištěno, že neutron je mimo jádro nestabilní a brzo se rozpadá na proton a elektron. Při tomto rozpadu se zachovává důležitý zákon zachování náboje, podle kterého nemůže vzniknout nebo zaniknout žádný náboj. Elektron má -1, proton +1, to je dohromady 0, což je náboj neutronu.
Roku 1930 vyslovil britský fyzik Paul Dirac (1902-1984) myšlenku, že musí existovat částice, která je pravým opakem elektronu. Stejná myšlenka vedla k tomu, že existuje částice, která je opakem protonu. Tyto částice, které mají opačný náboj, se nazývají antičástice, tedy antielektron a antiproton. V roce 1932 zkoumal americký fyzik Carl David Anderson (nar. 1905) kosmické záření (proud částic, který k nám přichází ze vzdálených hvězd) a skutečně antielektron, který dnes nazýváme pozitron, objevil.
Když se srazí elektron s pozitronem, náboje se navzájem vyruší, částice zaniknou a uvolní se energie, která odpovídá Einsteinově vztahu E=m.c2 . Podobně by měl reagovat i proton s antiprotonem. Tato reakce se nazývá anihilace částic. Hmota může naopak vzniknout z energie, ale vždy musí vzniknout jedna částice a její antičástice. To se nazývá vznik páru. Bylo zjištěno, že pokud částice alfa narážejí do olova, část jejich energie se přemění na hmotu a vzniká pár elektron - pozitron.
V zařízeních zvaných urychlovače částic se zvyšuje kinetická energie částice pomocí magnetického pole. Pokud urychlená částice narazí do vhodného terče, vyvolá řadu jaderných reakcí. Roku 1955 zachytil při takovéto reakci italský fyzik Emilio Segré (1905-1989) první antiproton.
Při rozpadu neutronu na proton a elektron dochází ke ztrátě hmotnosti, která se opět podle Einsteinovy rovnice mění v kinetickou energii vzniklých částic. Bylo ale zjištěno, že část energie někam "mizí". Wolfgang Pauli (1900-1958) se domníval, že z elektronu vzniká ještě jedna částice. Tato částice by musela mít nulovou hmotnost, nulový náboj a poloviční spin. Tím by byl zachován i součet spinů. Neutron by se skládal z tří částic s polovičním spinem (plus nebo mínus), takže jejich součet by byl opět poloviční. Tato částice, která se nazývá neutrino, je velmi netečná a je těžké ji zachytit. Podle více zákonů zachování bylo vypočítáno, že částice, která se podílí na tvorbě neutronu, není vlastně neutrino, ale antineutrino. Kdyby se antineutrino srazilo s protonem, vznikl by pozitron a neutron. Díky této reakci bylo antineutrino v roce 1956 opravdu detekováno vědci Frederickem Reinesem a Clydem Lorrainem Cowanem. Pokud určitá reakce částic probíhá, bude probíhat i pokud místo nějaké částice z jedné strany rovnice reakce umístíme na druhou stranu její antičástici. Neutrino tedy vzniká při přeměně protonu na neutron za vzniku pozitronu. To se děje ve velké míře například v nitru Slunce. Podle této reakce dokázal americký fyzik Raymond E. Davis, že neutrino skutečně existuje. Neutrino pocházející ze Slunce bylo zachyceno roku 1965 Frederickem Reinesem.
Elektrony, neutrina a jejich antičástice jsou tzv. leptony. Protony, neutrony a jejich antičástice jsou baryony. Dnes známe přibližně 100 elementárních částic - mezony, piony, tauny, hadrony, gluony, kvarky a další částice zřejmě čekají na objevení.
Jaderné reakce jsou změny v atomu, které se netýkají elektronového obalu, ale pouze jádra. Bylo zjištěno, že celková hmotnost jádra je nižší než by byla hmotnost částic, které je tvoří. Každé jádro, kromě jádra vodíku váží méně než by mělo. Tento jev se nazývá hmotnostní defekt nebo úbytek. Míra úbytku hmotnosti se udává koeficientem stěsnání, což je (úbytek/teoretická hmotnost ) . 10000. Kam se tato hmota ztrácí ? Při každé jaderné reakci která samovolně probíhá, dochází k zvýšení koeficientu stěsnání. Tyto reakce jsou exotermní, jaderná energie se při nich mění na jinou energii. Hmotnost se sníží a její úbytek se vyzáří jako energie podle Einsteinova vztahu E=m.c2. Atomy se jadernými reakcemi postupně přeměňují na atomy s větším koeficientem stěsnání. S vzrůstajícím protonovým číslem od vodíku koeficient stěsnání nejprve vzrůstá až po izotop železa-56, který má koeficient nejvyšší, a pak začne opět klesat. Atomy s vyšším koeficientem stěsnání jsou obvykle stabilnější, proto jsou prvky s vysokým protonovým číslem často radioaktivní.
Tyto radioaktivní prvky samovolně zvyšují koeficient stěsnání jaderným rozpadem. Rychlost rozpadu radioaktivních izotopů se udává pomocí poločasu rozpadu. To je čas, za který se vždy přemění polovina množství daného izotopu, ať je množství jakékoli. Pokud máme například 8 atomů izotopu s poločasem rozpadu 5 vteřin, pak nám po prvních 5 vteřinách zbudou pouze 4 atomy, po dalších 5 vteřinách 2 atomy atd.
Známe rozpad alfa, beta a gama, každý se projevuje odpovídajícím zářením. Pří rozpadu gama se struktura atomu téměř nemění, pouze se snižuje jeho energie a vyzařuje se jako elektromagnetické vlnění o velmi vysoké frekvenci.
Rozpad beta dělíme na beta+ a beta-. Rozpadem beta- se jádro zbavuje přebytečného neutronu. Ten se rozpadne na elektron a antineutrino, které jsou vyzářeny, a proton, který zůstává v jádře. Tím se zachová nukleonové číslo izotopu, ale protonové číslo se zvyšuje o 1 a vzniká jiný prvek. Naopak při rozpadu beta+ se rozpadá proton na pozitron, neutrino a neutron. Protonové číslo se tím snižuje o 1. Může se zdát podivné, že neutron se může rozpadnout na proton a dvě další částice a tento proton se znovu rozpadá na neutron a vznikají opět další částice. Nevznikají snad tyto částice "jen tak" ? Neporušuje to zákon zachování energie / hmoty ? Mimo jádro by tento rozpad možný nebyl a v jádře k němu dochází pouze tehdy, sníží - li se tím celková hmotnost. Vnikne sice neutron, který má za normálních podmínek větší hmotnost než proton , ze kterého vznikl, ale v jádře se tím zvýší koeficient stěsnání, takže celkově hmotnost ubyde a změní se opět na energii.
Rozpad alfa je jediný, při kterém se mění nukleonové číslo, a tím pádem i významným způsobem atomová hmotnost. Jádro atomu vyzařuje jádro helia-4, jeho neutronové číslo se sníží o 4 a protonové o 2. Radioaktivní prvky s vysokým nukleonovým číslem ho takto snižují. Pokud je vzniklý produkt nestabilní, rozpadá se dále, až vznikne produkt stabilní. Vždy ztrácí nukleony po čtyřech. Díky tomu vznikají tzv. radioaktivní řady. První řada začíná thoriem-232 a končí stabilním izotopem olova-208. Všechny izotopy vystupující v této řadě mají nukleonové číslo dělitelné 4. Druhá řada od neptunia-237 po bismut-209 má zbytek při dělení 4 vždy 1, třetí řada od uranu-238 po olovo-206 vždy 2 a třetí řada od uranu-235 po olovo-207 vždy 3.
Kromě těchto rozpadů existuje tzv. štěpná reakce, při níž se těžký atom rozpadá na dvě velké části. Uvolňuje se při tom mnohem více energie než při pomalém rozpadu. Navíc tato reakce může probíhat řetězově. Pokud se při štěpné reakci, která je iniciována neutronem uvolní dva neutrony, mohou iniciovat stejnou reakci v dalších jádrech. Reakce tak proběhne velmi rychle a uvolní se obrovské množství energie. Takto se projevují izotopy uranu-235, uranu-233 a plutonia-239. Na principu této štěpné reakce funguje jaderná bomba a jaderné elektrárny, kde tato reakce probíhá řízeně.
Výše uvedené reakce se týkaly prvků s vyšším protonovým číslem než má železo. Z atomů s nižším protonovým číslem než má železo mohou naopak vznikat těžší prvky. Ve Slunci se slučují atomy vodíku na atomy helia. Dochází při tom také k rozpadu beta+ a protony se mění v neutrony. Při této reakci se uvolňuje ještě více energie než při štěpné reakci. Na tomto principu je postavena vodíková bomba. Pokusy vyrábět energii pomocí řízené termonukleární reakce, jak se slučování někdy nazývá, neboť k zahájení reakce je nutná velmi vysoká teplota, byly zatím neúspěšné.