Miért bomlanak el a rádióaktív elemek?

Egyszerűen megfogalmazva: túl nagy az atommagjuk, nem fér el annyi proton neutron olyan kis helyen. A magerők már nem képesek összetartani őket. Sem akkor, ha nagyon sokan vannak (transzurán elemek), sem akkor, ha nincsenek sokan, csak a kelleténél több a neutron (könnyű radioaktív elemek: C-14, K-40 és társaik). Ezért aztán mindenféle részecskéket bocsátanak ki, ezzel csökken az atommag mérete, a gamma-sugárzással meg az utána megmaradó fölösleges energiát adják le.

(na, mondjuk ez nem eléggé tudományos, de a célnak lehet, hogy megfelel)

A radioaktív anyagok alatt - ha jól sejtem - a természetben előforduló hosszú élettartamú izotópokat értetted (pl. Urán-238, Tórium-232). Az izotópok élettertama annál hosszabb, minél kevésbé instabilak. Magyarán szólva, az említett urán és tórium-izotópok majdnem stabilak, ezért olyan hosszú a felezési idejük. Ezek az atommagok egy kicsit olyanok, mint az asztal legszélére tett tányér: alapvetően stabilnak néznek ki, de elég egy minimális (akár véletlen) lökés, és szétesnek.

Sok atommag instabilitása arra a részecskefizikai tényre megy vissza, hogy a szabad neutron önmagában instabil. Ha elegendő időt várunk, véletlenszerűen lebomlik, mégpedig 3 részecskére (proton, elektron, anti-elektron-neutrínó). Mindez nem mehet végbe, ha a neutron erősen kötve van egy atommagban, a gyengébben kötött állapotokban azonban előfordulhat (ez a béta (-)-bomlás). Más atommagok instabilitásáért a "túl sok proton" a felelős. Maguk a protonok és a neutronok vonzzák egymást (ez az úgynevezett "erős kölcsönhatás"), sőt két neutron vagy proton is. Azonban két proton esetében egy picivel nagyobb távolságon kívül a taszítás erősebb lesz mint a vonzóerő. Ha egy atommag túl sok protont tartalmaz, akkor az atommag állandóan annak veszélyében létezik, hogy kettészakadjon két kisebb atommagra, amelyek már stabilabbak lehetnek (alfa-bomlás), vagy pedig átalakítsa egyik protonját neutronná energia felvételével(pozitron és elektron-neutrínó kibocsátása közben), esetleg egy elektron befogásával (ilyenkor csak egy elektron-neutrínó keletkezik).

Ez önmagában nem triviális, de kiszámítható hogy vannak olyan elemek is, amelyek egyetlenegy izotópja sem lehet stabil. Ezek a periódusos rendszer legalján sűrűsödnek.

Természetesen az urán vagy tórium-atomok nem keletkezhetnek hétköznapi körülmények között. A legelfogadhatóbb elmélet szerint ezen atommagok valaha csillagok megsemmisülésekor, szupernova-robbanásban jöttek létre, ahol a kaotikus és óriási energiájú események lehetővé tették a legnehezebb elemek létrejöttét is (könnyebb atommagok fúziójával). A közönséges csillagokban (páldául a Napban) végbemenő magfúzió erre nem képes, mert a hidrogén nehezebb elemekké való átalakulása egy bizonyos ponton túl nem termel energiát (hanem épphogy fogyasztana), továbbá a hőmérséklet sem elég nagy. A vörös óriáscsillagokban már megfelelőek a körülmények a szén, oxigén, és nitrogén atommagjainak létrejöttéhez, de a nehezebb elemek (pl vas és azon túl) itt sem keletkeznek, egész addig, amíg a csillag fel nem robban.

Maga a radioaktív bomlás - akárcsak minden jelenség a kvantummechanikában - messzemenően véletlenszerű. Vannak atomok amelyek hamarabb bomlanak el, vannak amelyek később. A folyamatot így egy statisztika írja le, amit a felezési idővel lehet jellemezni.