Noțiunea de radioactivitate apare destul de des la ştiri. De exemplu, este posibil să fi citit despre acest lucru în contextul energiei nucleare, tragediei de la Fukushima sau construirii armelor nucleare. Apare, de asemenea, și în cultura populară: poveștile despre originea multor supereroi implică expunerea la radiații sau, în cazul Omului Păianjen, o muşcătură de la un păianjen radioactiv. Dar ce înseamnă mai exact că a un lucru să fie radioactiv?

Radioactivitatea este de fapt proprietatea unui atom. Atomii radioactivi au nuclee instabile şi vor elibera particule subatomice pentru a se stabiliza, eliberând energie — radiaţie — pe parcursul procesului. Adesea, elementele se regăsesc atât în versiune radioactivă, cât și neradioactivă, care diferă prin numărul de neutroni pe care îl conțin. Aceste versiuni diferite ale elementelor se numesc izotopi, iar cantități mici de izotopi radioactivi apar adesea în natură. De exemplu, în atmosferă există o cantitate mică de carbon sub forma izotopului radioactiv carbon-14, iar cantitatea de carbon-14 găsită în fosile permite paleontologilor să determine vârsta lor.

În acest articol, vom analiza mai în detaliu particulele subatomice pe care le conțin diferiți atomi, precum și ceea ce face un izotop să fie radioactiv.

Atomii fiecărui element conțin un număr caracteristic de protoni. De fapt, numărul de protoni ne arată la ce atom ne uităm (ex: toți atomii cu şase protoni sunt atomi de carbon). Numărul de protoni dintr-un atom se numeşte număr atomic. În schimb, numărul de neutroni dintr-un anumit element poate varia. Formele aceluiași atom care diferă doar în ceea ce privește numărul de neutroni se numesc izotopi. Împreună, numărul de protoni și numărul de neutroni determină numărul de masă al unui element: numărul de masă = protoni + neutroni. Dacă vrei să calculezi câți neutroni are un atom, poți scădea numărul de protoni (numărul atomic) din numărul de masă.

O proprietate strâns legată de numărul de masă al unui atom este masa sa atomică. Masa atomică a unui atom este masa sa totală și, de obicei, este exprimată în unități de masă atomică (amu/u). Prin definiţie, un atom de carbon cu şase neutroni, carbon-12, are o masă atomică de 12 amu. În general, alți atomi nu au masa atomică egală cu un număr rotund din motive care depășesc nivelul acestui articol. În general, însă, masa atomică a unui atom va fi foarte apropiată de numărul său de masă, dar va avea o oarecare deviere la zecimale.

Deoarece izotopii unui element au mase atomice diferite, oamenii de știință pot determina și masa atomică relativă — uneori numită greutatea atomică — a unui element. Masa atomică relativă este media maselor atomice ale tuturor izotopilor diferiți ai unui element, cu contribuția fiecărui izotop la medie determinată de cât de mare este proporția sa în întreg. Masele atomice relative date în tabelul periodic — cum este cea pentru hidrogen de mai jos — sunt calculate pentru toți izotopii naturali ai fiecărui element, ponderate de abundența acestor izotopi pe pământ. Obiectele extraterestre, cum ar fi asteroizii sau meteoriții, ar putea avea abundențe de izotopi foarte diferite.

După cum s-a menționat mai sus, izotopii sunt forme diferite ale unui element care au același număr de protoni, dar un număr diferit de neutroni. Multe elemente — cum ar fi carbonul, potasiul și uraniul — au mulți izotopi naturali. Un atom neutru de carbon-12 conține şase protoni, şase neutroni şi şase electroni. Prin urmare, are un număr de masă de 12 (şase protoni plus şase neutroni). Un atom neutru carbon-14 conține șase protoni, opt neutroni și șase electroni. Numărul său de masă este 14 (șase protoni plus opt neutroni). Aceste două forme alternative de carbon sunt izotopi.

Unii izotopi sunt stabili, dar alții pot emite sau elimina particule subatomice pentru a ajunge la o configurație mai stabilă, cu mai puțină energie. Acești izotopi se numesc radioizotopi, iar procesul prin care aceștia eliberează particule și energie este cunoscut sub numele de dezintegrare. Dezintegrarea radioactivă poate provoca o modificare a numărului de protoni din nucleu. Când se întâmplă acest lucru, identitatea atomului se modifică (de ex., carbon-14 se dezintegrează în azot-14).

Dezintegrarea radioactivă este un proces aleatoriu dar exponențial și timpul de înjumătățire al unui izotop este perioada în care jumătate din material se dezintegrează într-un produs diferit, relativ stabil. Raportul dintre izotopul original şi produsul său de dezintegrare şi raportul dintre izotopul original și izotopii stabili se modifică într-un mod previzibil. Această previzibilitate permite ca abundența relativă a izotopului să fie utilizată ca un ceas care măsoară timpul scurs de la încorporarea izotopului (de ex., într-o fosilă) până în prezent.

De exemplu, carbonul este prezent în mod normal în atmosferă sub formă de gaze, precum dioxidul de carbon, și există în trei forme izotopice: carbon-12 și carbon-13, care sunt stabile, și carbon-14, care este radioactiv. Aceste forme de carbon se găsesc în atmosferă în proporții relativ constante: carbon-12 ca formă principală de aproximativ 99%, carbon-13 ca formă minoră de aproximativ 1% și carbon-14 prezent doar în cantități minuscule$^1$start superscript, 1, end superscript. Pe măsură ce plantele extrag dioxidul de carbon din aer pentru a produce zaharuri, cantitatea relativă de carbon-14 din țesuturile acestora va fi egală cu concentrația de carbon-14 din atmosferă. Pe măsură ce animalele mănâncă plantele sau mănâncă alte animale care au mâncat plante, concentrațiile de carbon-14 din corpul lor vor corespunde și concentrației atmosferice. Când un organism moare, nu mai încorporează carbon-14, astfel încât raportul dintre carbon-14 şi carbon-12 din rămășițele sale, cum ar fi oasele fosilizate, va scădea pe măsură ce carbon-14 se dezintegrează treptat până la azot-14$^2$squared.

După un timp de înjumătățire cam de 5 730 de ani, jumătate din carbon-14 care era inițial prezent va fi convertit în azot-14. Această proprietate poate fi utilizată pentru datarea unor foste obiecte vii, cum ar fi oase vechi sau lemn. Prin compararea raportului dintre concentrațiile de carbon-14 şi carbon-12 dintr-un obiect și același raport din atmosferă, echivalent cu concentrația inițială a obiectului, poate fi determinată fracțiunea izotopului care nu s-a descompus încă. Pe baza acestei fracțiuni, poate fi calculată vârsta materialului cu precizie, dacă nu este cu mult mai mare de aproximativ 50 000 de ani. Alte elemente au izotopi cu diferiți timpi de înjumătățire și, prin urmare, pot fi utilizate pentru a măsura vârsta în diferite intervale de timp. De exemplu, potasiu-40 are un timp de înjumătățire de 1.25 miliarde de ani, iar uraniu-235 are un timp de înjumătățire de aproximativ 700 milioane de ani şi a fost folosit pentru a măsura vârsta rocilor de pe Lună$^2$squared.