I nuclei di tutti gli atomi, a eccezione di quelli di idrogeno, contengono, stipati in un piccolissimo volume, un numero più o meno grande di protoni, cioè di cariche elettriche di ugual segno, e di neutroni. Nonostante l’intensità delle forze elettriche repulsive, che aumenta rapidamente al diminuire della distanza tra le cariche (circa 10⁻¹⁵ m), la maggior parte dei nuclei presenti in natura è stabile, per cui essi si mantengono inalterati nel tempo. Tra le particelle del nucleo, cioè tra i nucleoni, agisce una forza attrattiva molto grande, chiamata forza nucleare forte, che prevale nettamente sulle forze elettriche repulsive e consente al nucleo di non disintegrarsi.

Alcuni isotopi, invece, sono instabili ed emettono spontaneamente una particella trasformandosi nel nucleo di un altro elemento. Tale processo viene denominato decadimento radioattivo.

radioactive decay Il decadimento radioattivo è un processo che trasforma il nucleo di un elemento nel nucleo di un elemento diverso; il processo di emissione di radiazione è invece chiamato radioattività.

Mentre in una trasformazione chimica gli atomi di ciascun elemento rimangono inalterati, perché si determinano rotture e formazioni di legami chimici in cui sono coinvolti soltanto gli elettroni, in una trasformazione nucleare gli atomi di un elemento cambiano la propria identità, in quanto viene intaccata la struttura del nucleo. Con la scoperta della radioattività, quindi, viene a cadere un altro assunto della teoria di Dalton, cioè che gli atomi siano indivisibili e indistruttibili.

La radioattività fu scoperta nel 1896, in modo casuale, dal fisico francese Antoine Becquerel. Mentre analizzava la natura della fluorescenza di un particolare sale di uranio, egli rilevò che il sale provocava l’annerimento di una lastra fotografica e doveva pertanto essere la sorgente di radiazioni. Qualche anno dopo, Rutherford dimostrò che tali radiazioni potevano essere di tre tipi differenti, poiché un campo elettrico provocava effetti diversi sulla loro propagazione. Diede il nome di raggi α (alfa) alle radiazioni respinte da un elettrodo carico positivamente, di raggi β (beta) a quelle attratte dallo stesso elettrodo, e di raggi γ (gamma) a quelle che proseguivano inalterate (▶figura 2.10. 

Rutherford dimostrò poi che:

•  i raggi α sono costituiti da nuclei di elio, aventi carica 2+ e numero di massa 4; essi sono indicati con il simbolo \(_{2}^{4}\mathrm{He}^{2+}\)o, semplicemente, con
  \(_{2}^{4}\mathrm{He}\);
• i raggi β sono fasci di elettroni veloci, che sono indicati dal simbolo β^- o e, in cui 0 e ₋₁⁰ stanno a sottolineare, rispettivamente, che non hanno massa rilevante e che portano una carica elettrica negativa;
• i raggi γ sono radiazioni elettromagnetiche, come la luce e i raggi X, ma di frequenza ed energia ancora maggiore.

Le radiazioni α, β e γ hanno una diversa capacità di penetrazione (▶figura 2.11.

La stabilità dei nuclei dipende dal numero di protoni e neutroni che essi contengono. I nuclei con Z compreso tra 1 e 20 circa sono stabili se hanno approssimativamente tanti neutroni quanti protoni, cioè se A ≈ 2Z. Un nucleo con Z maggiore di 20, invece, è stabile se ha un numero di neutroni superiore a quello dei protoni. Tutti i nuclei con Z ≥ 84 sono instabili e quindi radioattivi (▶figura 2.12).  

I nuclei instabili possono decadere emettendo particelle α o β, che sono spesso accompagnate da radiazioni γ. Oggi sappiamo che possono essere emesse anche altre particelle, fra cui la più importante è il positrone, β⁺, una particella con massa uguale a quella dell’elettrone e carica positiva. In ogni decadimento radioattivo e in ogni reazione nucleare si conservano sia il numero dei nucleoni sia la carica elettrica totale.