När vi tittade på blomman tidigare kunde vi se att den var röd. Det synliga ljuset reflekteras och våra ögon registrerar det reflekterade ljuset som rött. På liknande sätt är det med atomkärnan. Genom att “lysa” på en atomkärna och se vad som reflekteras kan vi få information om den. Men eftersom atomkärnorna är så små måste vi lysa på dem med mycket kortare våglängder än det synliga ljuset. Vi kan egentligen inte se något så litet som atomkärnan, men vi kan se vad som händer när kortvågig strålning belyser den. Vi kan också mäta vad som händer när olika atomkärnor krockar.

Atomkärnan innehåller protoner och neutroner. Protonerna är positivt laddade partiklar och antalet protoner i kärnan kallar man atomnumret. Det är antalet protoner som bestämmer vilket grundämne atomen är. Neutronerna är inte laddade och kallas därför neutrala. Samma grundämne kan ha olika antal neutroner i kärnan. Det här kallas för isotoper. Förhållandet mellan antalet protoner och neutroner i kärnan bestämmer hur stabil [blålänk: Något stabilt är stadigt och håller ihop bra.] en kärna är.

Vissa isotoper är därför stabila. Andra isotoper är istället instabila. I naturen hittar vi till exempel tre olika isotoper av grundämnet kol. Eftersom det är kol har atomerna alltid sex protoner. Men kolatomen kan ha 6, 7 eller 8 neutroner. En kolatom med sex protoner och åtta neutroner är radioaktiv. Vi kallar denna isotop av kol för kol-14, eftersom den har 6 + 8 = 14 kärnpartiklar (nukleoner).

Det kan tyckas lite märkligt att det går att ha flera protoner väldigt nära varandra i en atomkärna. Eftersom protonerna är positivt laddade repellerar de varandra. Men det finns andra krafter som verkar på mycket korta avstånd som gör det möjligt för protonerna att hålla ihop. [I fördjupningen kan du läsa mer om den svaga kärnkraften som håller ihop atomkärnorna och den starka kärnkraften som håller ihop kvarkarna, som i sin tur bygger upp nukleonerna].

För att en atomkärna ska kunna bestå av flera protoner behövs neutroner som balanserar upp krafterna så att kärnan blir stabil. Med en stabil kärna menar man en kärna som inte faller sönder av sig själv. Är balansen mellan protoner och neutroner inte rätt kan atomkärnorna sönderfalla spontant . Dessa atomer kallas instabila, till skillnad från stabila atomer som inte sönderfaller.

Atomkärnor som sönderfaller spontant gör det för att göra sig av med energi och bli mer stabila. För att förstå hur sönderfall fungerar ska vi nu titta på grundämnena och deras isotoper.

Väte är det enda ämnet som har en stabil isotop helt utan neutroner. Den består av en proton och en elektron, och det är den vanligaste sortens väte. Väteisotopen med en neutron i kärnan kallas deuterium och den med två neutroner tritium . Det är ganska ovanligt med deuterium i naturen. Om du har 6500 väteatomer så är en av dem deuterium. Tritium är ännu ovanligare.

Eftersom deuterium har två partiklar i kärnan väger det mer än vanligt väte. En vattenmolekyl med två deuteriumatomer, D2O, kallas tungt vatten eftersom det har högre densitet än vanligt vatten. D2O är mycket ovanligt i naturen, men går att framställa i ett laboratorium. Densiteten för tungt vatten är faktiskt så stor att en isbit av D2O sjunker i vanligt vatten.

[Film på isbit av tungt vatten]

För varje grundämne finns det flera isotoper. Vissa är stabila, andra är instabila. Instabila isotoper kan sönderfalla för att bli mer stabila. En atomkärna kan sönderfalla på olika sätt och skickar då ut strålning. De tre viktigaste typerna av joniserande strålning är alfa-, beta- och gammastrålning. Vi kommer snart att läsa mer om vad joniserande strålning är

När man tittar på sönderfall är det viktigt att komma ihåg att energin alltid bevaras. Det innebär att energin som atomen har innan den faller sönder är precis lika stor som den totala energin för bitarna efter sönderfallet. Men något märkligt inträffar om man mäter hur mycket partiklarna väger före och efter sönderfallet. Det visar sig nämligen att de väger lite mindre efteråt. Det beror på att massa också är energi. En liten del av partiklarnas massa omvandlas till energi, framför allt rörelseenergi, och därför väger partiklarna efter sönderfallet lite mindre än atomen gjorde innan.

Det var Albert Einstein som 1905 visade att det finns en koppling mellan massa och energi

I den här ekvationen är E energin, m massan och c ljusets hastighet. Tvåan betyder att man multiplicerar ljusets hastighet med sig själv. c är ett otroligt stort tal, så när massa omvandlas till energi så blir det väldigt stora mängder energi.