Instabile Kerne (letzte Lektion) wandeln sich von selbst um und senden dabei Strahlung aus. Das nennt man Radioaktivität, den Vorgang radioaktiven Zerfall oder Spontanzerfall, weil er ohne äußeren Anlass geschieht. Hitze, Druck oder eine chemische Verbindung ändern daran praktisch nichts.

Der Kern vor dem Zerfall heißt Mutterkern, der Kern danach Tochterkern. Meist hat der Tochterkern eine andere Protonenzahl, ist also ein anderes Element. Man spricht von Kernumwandlung. Es gelten zwei Erhaltungsregeln: Die Summe der Massenzahlen und die Summe der Kernladungszahlen (Ladungen) sind links und rechts des Pfeils gleich.

Es gibt drei Arten von Strahlung:

Alpha: Der Kern stößt ein Paket aus zwei Protonen und zwei Neutronen ab, einen Heliumkern.

Beta: Im Kern wandelt sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um. Das Elektron verlässt den Kern, die Protonenzahl steigt um 1. Außerdem entsteht ein sehr leichtes Teilchen, das Antineutrino. Wir schreiben es in den Gleichungen nicht mit, es ändert nichts an den Erhaltungsregeln. Das Elektron stammt aus dem Kern, nicht aus der Hülle. Es gibt auch Kerne mit Protonenüberschuss. Sie senden ein Positron aus (ein positiv geladenes Elektron, $\beta^+$). Hier betrachten wir nur $\beta^-$.

Gamma: Nach einem Alpha- oder Beta-Zerfall ist der Tochterkern oft angeregt, hat also überschüssige Energie. Er gibt sie als Gammastrahlung ab. Sie liegt im Spektrum der elektromagnetischen Strahlung bei den kürzesten Wellenlängen. Der Kern behält $Z$ und $A$.

Im Magnetfeld werden Alpha- und Beta-Strahlen in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt, Gammastrahlung gar nicht. Daran erkennt man ihre Ladung. Wie weit die Strahlungsarten durch Stoffe kommen, folgt in der nächsten Lektion.

Die Aktivität gibt an, wie viele Kerne in einer Probe pro Sekunde zerfallen. Ihre Einheit ist Becquerel (Bq): 1 Bq ist ein Zerfall pro Sekunde. Der menschliche Körper hat durch sein Kalium und seinen Kohlenstoff eine Aktivität von einigen tausend Bq.

Ein Zählrohr registriert nicht alle Zerfälle der Probe, denn die Strahlung geht in alle Richtungen und nur ein Teil trifft das Rohr. Die Zählrate ist die Zahl der gezählten Impulse pro Zeit, zum Beispiel pro Minute. Sie ist proportional zur Aktivität, aber nicht gleich ihr.

Auch ohne Präparat zeigt das Zählrohr Impulse an, weil es immer natürliche Strahlung gibt. Diese Zählrate heißt Nullrate. Sie muss von jeder Messung abgezogen werden: Zählrate des Präparats = gemessene Zählrate − Nullrate. Weil Zerfälle zufällig geschehen, schwankt die Zahl der Impulse. Zählst du etwa 100 Impulse, ist mit einer Schwankung von etwa 10 zu rechnen. Darum misst man lange genug.

Die Halbwertszeit $T_{1/2}$ ist die Zeit, in der von einer großen Zahl gleicher radioaktiver Kerne die Hälfte zerfallen ist. In derselben Zeit sinkt die Aktivität auf die Hälfte. Nach einer Halbwertszeit ist die Hälfte da, nach zwei ein Viertel, nach drei ein Achtel, nach $n$ Halbwertszeiten der Bruchteil $(1/2)^n$.

Die Halbwertszeiten sind sehr verschieden:

Der Zerfall eines einzelnen Kerns ist reiner Zufall. Man kann nicht sagen, wann er zerfällt. Für jeden Kern gibt es nur eine feste Wahrscheinlichkeit pro Zeit, und sie ändert sich nicht: Ein Kern, der schon Jahre überlebt hat, ist nicht "näher" am Zerfall. Man nennt so etwas einen stochastischen Prozess. Bei sehr vielen Kernen folgt aus den Zufällen eine sichere Regel, wie beim Münzwurf: Eine einzelne Münze kann Kopf oder Zahl zeigen. Bei 100 Münzen sind es etwa 50 Köpfe. Wirfst du 100 Münzen und nimmst die Köpfe heraus, bleiben etwa 50. Nach dem nächsten Wurf etwa 25. Jede Runde entspricht einer Halbwertszeit. Bei wenigen Kernen weicht der Verlauf deutlich von der Regel ab. Bei Billionen Kernen stimmt sie fast genau.