Günlük hayatta radyoaktiviteden bahsedildiğini sıkça duyarız. Örneğin, nükleer enerji, Fukuşima nükleer santral kazası veya nükleer silah geliştirme tartışmaları hakkında bir şeyler okumuş olabilirsiniz. Radyoaktivite aynı zamanda popüler kültürde de karşınıza çıkabilir: birçok süper kahramanın hikayesi radyasyona maruz kalma ile başlar, örneğin Spider Man, radyoaktif bir örümcek tarafından ısırılır. Peki bir şeyin radyoaktif olması tam olarak ne demektir?

Radyoaktivite aslında atomun bir özelliğidir. Radyoaktif atomların kararsız çekirdekleri vardır ve daha kararlı hale gelebilmek için atom altı parçacık salınımı yaparlar. Bu süreçte açığa çıkan enerji, radyasyon olarak adlandırılır. Elementler, içerdikleri nötron sayısına bağlı olarak radyoaktif olabilir veya olmayabilirler. Elementlerin bu farklı versiyonlarına "izotop" denir ve radyoaktif izotoplaın küçük miktarlarını doğada bulabiliriz. Örneğin, atmosferdeki karbonun küçük bir kısmı, radyoaktif karbon-14'tür ve fosillerde bulunan karbon-14 sayesinde paleontologlar fosillerin yaşını saptayabilir.

Bu makalede farklı atomlarda bulunan atom altı parçacıkları ve bir izotopu radyoaktif yapan etkenleri inceleyeceğiz.

Her elementin atomu kendine özgü sayıda proton sayısı içerir. Aslında proton sayıları bizim hangi atomu inceledeğimizi belirler (örneğin, altı protonu olan bütün atomlar karbon atomudur). Bir atomdaki proton sayısına o atomun atom numarası denir. Buna karşılık elementteki nötron sayısı değişkenlik gösterebilir. Aynı atomun sadece nötron sayıları farklıysa bu atomlar izotop olarak adlandırılırlar. Atomun proton ve nötron sayısı birlikte atomun kütle numarası nı belirler: Kütle numarası=proton+nötron. Bir atomun kaç tane nötronu olduğunu hesaplamak istiyorsanız, atom numarasını veya proton sayısını kütle numarasından çıkarabilirsiniz.

Bir atomun kütle numarasıyla yakından ilişkili olan özelliklerinden biri atom kütlesidir. Atom kütlesi, atomun toplam kütlesidir ve atomik kütle birimi yani akb ile ifade edilir. 6 nötronlu bir karbon atomu olan karbon-12, 12 akb'lik bir atom kütlesine sahiptir. Diğer atomların genellikle tam sayıdan oluşan atom kütleleri yoktur, ancak bu makalede bu konuya değinemeyeceğiz. Ancak genellikle atomların atom kütlelerinin, kütle numaralarına çok yakın olduğunu ve ondalık basamaklar düzeyinde farklılık gösterdiklerini bilmekte fayda var.

Elementlerin izotopları farklı atom kütlelerine sahip olduğundan, bilim insanları bir elementin atom ağırlığı da denen bağıl atom kütlesini belirleyebilir. Bağıl atom kütlesi, örnekteki bütün farklı izotopların atom kütlelerinin ortalamasıdır. Her izotopun ortalamaya ne kadar katkıda bulunduğu, o izotopun örnekteki oranına bağlıdır. Periyodik tabloda yer alan bağıl atom kütlesi, aşağıdaki hidrojen örneğinde olduğu gibi, her elementin doğada bulunan her izotopu için bu izotopların Dünya'daki bolluğu göz önünde bulundurularak hesaplanır. Asteroidler ve meteorlar gibi dünya dışı cisimlerde, çok fazla miktarda farklı izotoplar bulundurabilirler.

Yukarıda da bahsedildiği gibi, izotoplar bir elementin farklı verisyonlarıdır ve proton sayıları aynıyken nötron sayıları farklıdır. Karbon, potasyum ve uranyum gibi birçok elementin, doğada çok sayıda izotopları bulunur. Nötr bir Karbon-12 atomunda altı proton, altı nötron ve altı elektron vardır: Bu sebeple kütle numarası 12'dir (altı proton artı altı nötron). Nötr bir Karbon-14 atomunda ise altı proton, sekiz nötron ve altı elektron bulunur: Bu sebeple kütle numarası 14'tür (altı proton artı sekiz nötron). Karbonun bu iki farklı versiyonu "izotop" olarak adlandırılır.

Bazı izotoplar kararlıdır ancak bazıları daha kararlı, düşük enerjili konfigürasyonlara (elektron dizilimi) sahip olmak için atom altı parçacıkları salıp, dışarıya atabilir. Bu izotoplara radyoizotoplar ; parçacık ve enerjinin salınma işlemlerine de bozunma adı verilir. Radyoaktif bozunma çekirdekteki proton sayısında değişime neden olabilir; bu meydana geldiğinde atomun kimliği de değişir (örneğin, karbon-14'ün nitrojen-14'e bozunması).

Radyoaktif bozunma rastgele ancak üstel bir süreçtir. İzotopun yarı ömrü, maddenin yarısının göreceli olarak daha kararlı bir ürüne dönüşene kadar bozunduğu süreye verilen addır. İzotopun ilk halinin bozunan ürüne ve daha kararlı maddeye dönüşüm oranı tahmin edilebilir; bu tahmin edilebilirlik sayesinde, bağıl izotop bolluğu izotopun (örneğin bir fosile) karışımından bugüne kadar geçen zamanın hesaplanmasında bir saat gibi kullanılabilir.

Örneğin, karbon atmosferde karbondioksit gazı olarak bulunur; karbon-12 ve karbon-13 adında iki kararlı izotopu, karbon-14 adında ise radyoaktif bir izotopu vardır. Karbonun bu versiyonları, atmosferde nispeten sabit oranlarda bulunur: Karbon-12 %99, karbon-13 %1'in altında bir oranda, karbon-14 ise çok ufak miktarlarda olmak üzere. Bitkiler şeker üretmek için havadan karbondioksit aldıklarında dokularındaki karbon-14 miktarı atmosferdeki karbon-14 konsantrasyonuna eşit olacaktır. Hayvanlar bitkileri ya da bitkileri yiyen diğer hayvanları yedikçe, vücutlarında atmosferdeki konsantrasyona eşit miktarda karbon-14 konsantrasyonu görülecektir. Bir organizma öldüğünde, karbon-14 alışı durur, dolayısıyla fosilleşmiş kemikleri gibi organizmadan geriye kalan kalıntılardaki karbon-14’ün karbon-12’ye oranı, karbon-14’ün nitrojen-14’e bozunmasıyla aşamalı olarak düşer$^2$squared.

Yaklaşık 5730 yıllık bir yarı ömür sonrasında, karbon-14'ün yarısı nitrojen-14'e dönüşmüş olur. Bu özellik, geçmişte yaşamış olan kemik veya ağaç kalıntısı gibi maddelerin yaşlarını ölçmek için kullanılabilir. Bir maddedeki karbon-14 ve karbon-12 konsantrasyonlarının oranını atmosferdeki aynı oranla (başlangıçta maddenin sahip olduğu konsantrasyona eşittir) karşılaştırılarak, henüz bozunmayan izotop oranı belirlenebilir. Bu orana dayanılarak, madde eğer 50,000 yıldan çok daha yaşlı değilse maddenin yaşı tam olarak hesaplanabilir. Diğer elementlerin farklı yarı ömürlere sahip olan izotopları vardır ve dolayısıyla farklı zaman ölçeklerinde yaş hesaplamalarında kullanılabilirler. Örneğin potasyum-40'ın yarı ömrü 1,25 milyar yıl, uranyum-235'in yarı ömrü yaklaşık 700 milyon yıldır ve ay taşlarının yaşını hesaplamada kullanılmıştır$^2$squared.