Vi sett att stora atomkärnor kan sönderfalla till mindre genom att sända ut en alfapartikel. Men det finns andra sätt också. Om till exempel en neutron skickas mot en stor atomkärna kan den göra så att kärnan klyvs. Då bildas en eller flera nya atomkärnor och andra partiklar. De nya atomkärnor som bildas i en kärnreaktion är ofta radioaktiva.

Riktigt stora atomkärnor, som till exempel uran eller torium, är ofta instabila. De kan sönderfalla till stabilare kärnor genom att skicka ut en alfapartikel. Alfapartikeln består av två protoner och två neutroner.

Alfapartiklar är också stora och ganska tunga. Därför rör de sig inte så långt efter att atomkärnan har fallit sönder. Man säger att alfastrålningen har kort räckvidd. I luft når alfapartiklarna bara någon centimeter. Vill man stoppa alfastrålningen räcker det med till exempel ett papper som skydd.

Ändring vid alfasönderfall: Atomnumret minskar med två och masstalet med fyra.

Ett annat sätt för en kärna att bli mer stabil är om en neutron omvandlas till en proton och samtidigt sänder ut en elektron. Eller så kan en proton omvandlas till en neutron samtidigt som en positron sänds ut från kärnan. En positron är elektronens antipartikel . Positronen är väldigt lik elektronen men laddad istället för negativt. De här två typerna av radioaktiva sönderfall kallas för betasönderfall. Vilken typ av betasönderfall det är beror på vilken atomkärna det är som sönderfaller. Det beror på om det finns för många eller för få neutroner för att kärnan ska vara stabil.

Precis som vid alfasönderfall är det flera atomkärnor som sönderfaller samtidigt och därför skickas flera betapartiklar ut. Vi kallar de partiklarna för betastrålning. Partiklarna i betastrålning är mycket mindre än alfapartiklarna. Betastrålning kan färdas upp till några meter i luft. För att på ett effektivt sätt stoppa den räcker det med en tunn bit plast eller metall.

Ändring vid betasönderfall: Vid betasönderfall ändras inte masstalet, men atomnumret ändras. Atomnumret kommer att öka eller minska med ett, beroende på om det är betaplus- eller betaminus-sönderfall. Vid normalt betasönderfall omvandlas en neutron till en proton och en elektron (det skapas också en antineutrino). Elektronen far iväg med hög hastighet, det är det som vi kallar betastrålning.

Vid betaminus-sönderfall omvandlas istället en proton till en positron och en neutron.

I många fall är den kärna som bildas direkt efter ett alfa- eller betasönderfall fortfarande inte stabil. Kärnan kan fortsätta att sönderfalla vidare, men överskottsenergin kan också skickas ut som gammastrålning. Gammastrålning är elektromagnetisk strålning med mycket hög energi.

Gammastrålning har varken massa eller elektrisk laddning. Därför kan gammastrålning röra sig mycket långt. Gammastrålningen är därför mycket svårare att stoppa än alfa- och betastrålning. Gammastrålning kan till exempel passera flera centimeter bly.

Det tar olika lång tid för olika isotoper att sönderfalla. Vissa kärnor sönderfaller på några sekunder. För andra tar det flera tusen år. Men vi kan aldrig veta hur lång tid det tar för en ensam atomkärna att sönderfalla, det beror på slumpen. Ungefär som om du slår med en tärning - till slut kommer du att slå en sexa, men du vet inte om det blir på det första slaget eller kanske först på det tionde. Vad vi kan göra är att mäta hur lång tid det tar för hälften av ett stort antal kärnor att sönderfalla. Detta kallas för halveringstid. Vissa radioaktiva ämnen har mycket långa halveringstider.

Exempel: Tänk dig att du har 100 tärningar. Du slår alla samtidigt. En del av dem blir sexor, andra blir ettor, tvåor, treor, fyror eller femmor. Det är väldigt osannolikt att alla 100 tärningar skulle bli sexor på en enda gång. Gör nu så här: Plocka bort alla tärningar som blev sexor och lägg dem åt sidan. Slå sedan de tärningar som inte blev sexor en gång till. Då får du några nya sexor, som du också plockar bort.

Fortsätt på samma sätt: slå – plocka bort sexorna – slå igen.

Fundera: Hur många slag tror du att du behöver göra innan hälften av alla tärningarna har blivit sexor? Testa gärna tillsammans med dina kompisar och jämför era resultat! Det går bra att rita resultatet i grafritaren. Du får då en kurva där antalet tärningar som är kvar ändras med hur många gånger du slagit.

[Bild på resultat]

100 tärningar kan kanske upplevas som väldigt många. Men antalet atomer som det finns i en liten bit av ett material är otroligt mycket större. Ju fler partiklar vi har desto noggrannare blir våra mätningar.

I ett radioaktivt material har vi, istället för tärningar, ett mycket stort antal partiklar som sönderfaller. Vi kan mäta hur lång tid det tar för hälften av partiklarna att sönderfalla. Den här tiden kallar vi för halveringstid och den brukar betecknas med T1/2. Nu finns bara hälften kvar av de partiklar som kan sönderfalla. För att halvera antalet en gång till tar det lika lång tid igen. Så efter två halveringstider, 2xT1/2, har vi hälften av hälften av våra partiklar kvar. Det finns alltså kvar en fjärdedel, ¼, av de partiklar som kan sönderfalla. Varje gång tiden T1/2 har förflutit har antalet partiklar som finns kvar som kan sönderfalla halverats.

Om vi ritar upp hur många partiklar vi har kvar för olika tider ser vi en kurva som ser ut som en pulkabacke. Vi har färre och färre partiklar kvar, men det blir aldrig noll. För att det här ska stämma krävs det att vi har väldigt många partiklar. Det har vi för det mesta. Ett enda gram uran innehåller 25 10^20 atomer. Det är 25 följt av 20 nollor, ett så stort tal att det är svårt att tänka sig det.

Den mest kända kärnreaktionen är fission. Fission kallas också för kärnklyvning. För att en sådan reaktion ska kunna ske behövs en väldigt tung atomkärna, till exempel uran. Om uran bombarderas med neutroner sönderdelas kärnan och ger två mindre atomkärnor. Samtidigt frigörs stora mängder energi. En del av denna energi skickas ut som strålning.

När atomkärnorna klyvs frigörs fler neutroner. Dessa neutroner gör att nya uranatomer klyvs. Då frigörs fler neutroner, som kan klyva nya uranatomer, och så vidare. Detta kallas för en kedjereaktion. Energin från kedjereaktionen kan till exemepel användas för att värma vatten och generera elektricitet i ett kärnkraftverk .[Till högerspalten: Läs mer om kärnkraft i kapitlet om energiförsörjning och lagring [länk, ligger under Elektricitet och magnetism].] Men om vi inte kontrollerar hur många neutroner som frigörs blir det snabbt för mycket energi.

Kedjereaktioner kan också användas i kärnvapen. I kärnvapen vill vi inte kontrollera hur många neutroner som frigörs. I ett kärnkraftverk styrs kedjereaktionen så att den inte börjar gå snabbare och snabbare. I ett kärnvapen är det precis tvärtom. En snabb kedjereaktion ger en kraftig explosion. Förutom att kärnvapen ger väldigt kraftiga explosioner sprider de radioaktiv strålning. Strålningen kan döda direkt, men också finnas kvar i marken och förgifta landområden i hundratusentals år.

Flera av de ämnen som bildas vid fission är starkt radioaktiva [blålänk (lägg i stycket ovan ifall vi nämner radioaktivitet där först): Ett radioaktivt ämne sänder ut strålning.]. Använt kärnbränsle måste därför hanteras med stor försiktighet. Eftersom uran har en lång halveringstid tar det hundratusentals år innan strålningen avtagit tillräckligt mycket för att resterna från fissionen ska vara ofarliga.

Om små atomkärnor kommer tillräckligt nära varandra och rör sig tillräckligt fort kan de gå ihop och bilda en större atomkärna. Detta kallas för fusion och är det som händer i solen. I solens inre är det väldigt varmt, 15 miljoner grader Celsius. Det betyder att partiklarna där inne har en mycket hög hastighet. Dessutom pressas partiklarna ihop av trycket när tyngdkraften drar ihop stjärnan. Det gör att atomkärnorna kan komma väldigt nära varandra. Då kan två vätekärnor gå ihop och bilda helium. När det händer frigörs stora mängder energi. Det är den energin som kommer till oss i form av värme och ljus. Om några miljarder år kommer vätet i solen börja ta slut. Då kommer också solen också nå slutet på sitt “liv”. [ref till astronomi]

Det frigörs otroligt stora mängder energi vid fusion. Vi har lyckats skapa fusion här på jorden, men det är svårt att kontrollera de stora energimängderna. Den första användningen av fusion utanför forskningen var därför bomber, så kallade vätebomber. Men om vi lärde oss kontrollera fusionen så skulle vi kunna skapa väldigt stora mängder nyttig energi. Sådana anläggningar forskas det mycket på, eftersom de skulle kunna ersätta kolkraftverk och kärnkraftverk.

För många radioaktiva ämnen räcker det inte med ett enda sönderfall för att omvandla den instabila kärnan till en stabil kärna. Det är istället vanligt att ett sönderfall följs av ett annat sönderfall i en så kallad sönderfallskedja. I sådana sönderfallskedjor finns andra radioaktiva ämnen som har betydligt kortare halveringstider än det ämne vi började med. Det är en anledning till att vi kan hitta ämnen med kort halveringstid i naturen.

Ofta är det så att när en radioaktiv isotop sönderfaller så blir resultatet en ny kärna som också är instabil. Sedan sönderfaller den kärnan, och så kan det fortsätta. Man får alltså en hel kedja av processer, tills man kommer till en atomkärna som är stabil. Det finns fyra olika sönderfallskedjor, en av dessa börjar med uran-isotopen uran-238.

Sönderfallskedjan som startar med uran-238 är 14 steg lång. Till slut stannar den med en stabil isotop av bly, Pb-206. I den här sönderfallskedjan hittar vi alla de tre vanliga sönderfallen, alfa, beta och gamma. Här pratar vi bara om betaminus-sönderfall, där en neutron omvandlas till en proton och en elektron. Det är för att betaplus-sönderfallet inte dyker upp i någon av sönderfallskedjorna.

Sönderfallskedjan för uran börjar med ett alfa-sönderfall då U-238 omvandlas till Th-234 (torium). Th-234 beta-sönderfaller sedan till Pa-234 (protaktinium) som sedan beta-sönderfaller till 234-U. Kedjan fortsätter tills vi når en stabil isotop av bly, Pb-206.

Läs mer: Det finns fyra sönderfallskedjor