1.1.4   Reakcje jądrowe

Atomy niektórych pierwiastków nie są trwałe i ulegają samorzutnemu rozpadowi. Zjawisko to nosi nazwę naturalnego rozpadu promieniotwórczego. Towarzyszy mu często emisja promieniowania , lub , przy czym promieniowanie jest strumieniem jąder helu , promieniowanie to strumień elektronów, a promieniowanie to strumień fotonów o wysokiej energii, czyli promieniowanie elektromagnetyczne o małej długości fali. Istotną rolę w badaniu zjawiska promieniotwórczości odegrała Maria Skłodowska-Curie, dwukrotna laureatka Nagrody Nobla. Emisja cząstek lub zmienia ilość ładunków elektrycznych w jądrze, co oznacza, że następuje przemiana pierwiastków. Przemianę pierwiastków opisuje prawo przesunięć Soddy’ego – Fajansa: Gdy przemianie promieniotwórczej towarzyszy emisja promieniowania , to następuje przemiana atomów jednego pierwiastka w drugi, przy czym liczba masowa nowego pierwiastka jest mniejsza o 4 jednostki, a liczba atomowa o dwie. Przy przemianie z emisją promieniowania liczba masowa nowego pierwiastka pozostaje bez zmian, a liczba atomowa zwiększa się o 1. Przemiana przebiegająca z emisją promieniowania jest skutkiem przemiany neutronu w proton (powstają także antynetrina), zgodnie z zapisem:

Prawo Soddy’ego – Fajansa można zapisać:

W przedstawionych wyżej reakcjach zachodzących przy rozkładzie promieniotwórczym substratami są pojedyncze jądra. W bardziej złożonych reakcjach substratami są obok atomów inne cząstki takie, jak proton, neutron, jądra helu, deuteron (jądro deuteru). W reakcjach takich otrzymuje się pierwiastki promieniotwórcze, które często mają duże znaczenie jako atomy znaczone (wskaźniki) w wielu obszarach nauki. Np.: izotop węgla , który stosowany jest w medycynie i biologii otrzymuje się w reakcji:

Równanie                                        1-2

Promieniotwórczy węgielrozpada się emitując promieniowanie , które można zmierzyć otrzymując informacje o lokalizacji i stężeniu izotopów węgla w analizowanym preparacie. Ten sam izotop węgla może służyć do określania wieku materiałów zawierających węgiel. Izotop  tworzy się w górnych partiach atmosfery wskutek reakcji przebiegającej z udziałem neutronów stanowiących składnik promieniowania kosmicznego. Stężenie węgla  jest stałe i wynosi około 1ppt (jeden atom na 10¹²), przy czym odnosi się to do całego środowiska ziemskiego, w tym także do wszystkich organizmów żywych. W momencie ustania czynności życiowych ilość węgla radioaktywnego maleje w związku z jego samorzutnym rozkładem promieniotwórczym. Oceniając po upływie wielu lat stężenie  w szczątkach organicznych można ocenić ich wiek z dokładnością do 100 lat. Metoda jest stosowana do oceny wieku materiałów nie przekraczającego 50 000 lat.