In der Natur laufen die meisten Prozesse dadurch ab, dass Atome von Elementen miteinander wechselwirken und Elektronen aufeinander übertragen. Das Hauptinteresse der Nuklearchemie gilt den Atomkernen. Sie untersucht ihre Eigenschaften und die Veränderungen, die durch ihren Zerfall entstehen. Im Vergleich zu anderen Reaktionen führen Kernreaktionen zur Bildung neuer chemischer Einheiten. Darüber hinaus werden bei Kernreaktionen sehr große Energiemengen freigesetzt – bis zum mehrhunderttausendfachen der Energie einer herkömmlichen chemischen Reaktion.

Stabilität der Atomkerne

Atome sind die grundlegende, aber nicht die kleinste Einheit der Materie. Sie bestehen jeweils aus einem Atomkern und um ihn kreisenden Elektronen.  Der Atomkern hingegen besteht aus positiven Protonen und neutralen Neutronen. Atome mit der gleichen Anzahl von Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen sind Isotope. In der Natur sind die meisten von ihnen stabil, d.h. sie unterliegen auch nach langer Zeit keinen Kernumwandlungen.  Einige Isotope sind jedoch instabil und zerfallen leicht, z.B. Beta plus, Beta minus oder Alpha. Damit ein bestimmtes Isotop stabil ist, muss der Atomkern eine identische Anzahl sowohl von Protonen als auch von Neutronen enthalten.  Je schwerer die Kerne sind (je höher ihre Ordnungszahl ist), desto größer ist der Unterschied zwischen ihren Mengen. Infolge dieses Missverhältnisses ist der Atomkern viel anfälliger für radioaktiven Zerfall.  Das schwerste Isotop in der Natur, das stabil ist, ist ¹⁰⁹Bi.

Sowohl eine übermäßige Anzahl von Neutronen im Kern als auch ein erheblicher Mangel an Neutronen im Verhältnis zur Anzahl der Protonen führt zu einer Kernumwandlung (oder einer Reihe von Umwandlungen), die schließlich zu einem stabilen Atomkern führt. Darüber hinaus wird die Stabilität der Kerne auch durch die Kernkräfte beeinflusst, die größer sein sollten als die Kräfte der elektrostatischen Wechselwirkungen (dies wird durch die richtige Anzahl von Neutronen im Kern, im Verhältnis zur Anzahl der Protonen gewährleistet) und die Masse des Kerns (je schwerer sie sind, desto weniger stabil sind sie).

Von größtem Interesse sind in der Nuklearchemie die Isotope, deren Atomkerne nicht stabil sind und leicht zerfallen. Chemische Elemente, die aus solchen Isotopen bestehen, werden als radioaktiv bezeichnet.

Radioaktivität der chemischen Elemente

Die Radioaktivität chemischer Elemente ist das Ergebnis des Zerfalls ihrer instabilen Atomkerne. Folgendes sollten wir darüber wissen:

• Es wird zwischen natürlicher und künstlicher Radioaktivität chemischer Elemente unterschieden. Von natürlicher Radioaktivität spricht man, wenn ein Stoff selbst Strahlung aussendet. Bei der künstlichen Radioaktivität weist ein bestimmter Stoff keine Radioaktivität auf, gibt aber Strahlung ab, wenn er der natürlichen Strahlung eines radioaktiven Stoffes ausgesetzt wird.
• Natürliche Umwandlungen werden in Alpha-, Beta- und Gammazerfälle unterteilt. Und künstliche sind Kernreaktionen, Kernfusionen und Kernspaltungen.
• Beim Zerfall von Atomkernen wird Strahlung, die so genannte ionisierende Strahlung oder Kernstrahlung, freigesetzt. Radioaktive Isotope können drei Arten von Strahlung abgeben: Alpha-, Beta- und Gammastrahlung.
• Alphateilchen sind die Kerne von Heliumatomen. Elektronen sind Beta-Teilchen (viel leichter als Alpha-Teilchen). Die Gammastrahlung hingegen besteht nicht aus Teilchen und gehört zur Familie der elektromagnetischen Wellen.
• Die meisten Kerne radioaktiver Elemente bilden nach dem Zerfall neue Kerne. Auch diese sind unbeständig und unterliegen einem weiteren Zerfall. Auf diese Weise entstehen sogenannte
• Die Radioaktivität eines bestimmten chemischen Stoffes hängt in erster Linie von seiner Menge ab. Sie nimmt im Laufe der Zeit ab, da seine Menge abnimmt. Weitere Faktoren, die die Geschwindigkeit der Kernumwandlung beeinflussen, sind Temperatur und Druck.

Kernreaktionen und Kernfusionen

Viele der Kernreaktionen radioaktiver Elemente, die in der Erdkruste vorkommen, verlaufen natürlich. Einige Reaktionen können jedoch in einem chemischen Labor durchgeführt werden. Die erste derartige Umwandlung, die von Menschenhand durchgeführt wurde, fand im Jahr 1919 statt. Ihr Schöpfer war Rutherford. Heute ist die Zahl der durchgeführten Kernreaktionen sehr hoch. Die Zahl der künstlich hergestellten Isotope übersteigt bei weitem die der natürlich vorkommenden radioaktiven Isotope.

Kernreaktionen, die u.a. von der Nuklearchemie analysiert werden, finden statt, indem Atomkerne mit bestimmten Teilchen bombardiert werden. Das können Neutronen, Protonen, Alphateilchen oder auch Kohlenstoffkerne sein. Die stattfindende Kernreaktion hängt von der Art des bombardierenden Teilchens und seiner Energie ab.  Kernreaktionen führen zur Absorption (unter Freisetzung von einem oder zwei Elementarteilchen) des emittierten bombardierenden Teilchens durch den Atomkern oder zur Zerstörung dieses Kerns. Die erste Situation tritt ein, wenn die Energie des „Projektils“ gering ist (höchstens einige zehn MeV). Die Kernzertrümmerung erfolgt bei hohen Energien, die bis zu mehreren hundert MeV reichen. Viele einfachen Kernreaktionen laufen unter dem Einfluss von Alphateilchen ab, die von natürlichen radioaktiven Elementen ausgesandt werden. Die Kernspaltung kann problemlos mit Hilfe von Neutronen aktiviert werden. Da sie eine neutrale Ladung haben, gelangen sie ohne große Schwierigkeiten zu den Kernen, da sie keiner elektrostatischen Abstoßung unterliegen. Ein wichtiges Merkmal aller Kernreaktionen ist, dass sie mit der Absorption oder Freisetzung erheblicher Energiemengen einhergehen.

Unter etwas anderen Bedingungen finden Kernfusionsreaktionen statt. Sie verlaufen bei sehr hohen Temperaturen – von 10⁷ bis 10⁸ K (oft nur dann treten sie spontan auf). Die Temperaturen, die beispielsweise die natürliche Fusion von Helium aus Wasserstoff ermöglichen, herrschen im Inneren von Sternen und führen zur Freisetzung großer Mengen an Energie. Bei Kernfusionsreaktionen verschmelzen die kleinsten Kerne (z.B. von Wasserstoff oder Deuterium) zu größeren Kernen. Nun ist es gelungen, unter irdischen Bedingungen die thermonukleare Kernfusion von Helium zu erreichen. Diese Reaktion hat enorme Mengen an Energie erzeugt. Weit größer als die Explosion einer Uran- oder Plutonium-Atombombe. Der gesamte Prozess wurde jedoch nicht kontrolliert. Es wird davon ausgegangen, dass die Energiegewinnung aus einer vollständig kontrollierten thermonuklearen Kernfusion möglich sein wird, sobald die technischen Schwierigkeiten überwunden sind.

Wo kann Strahlung der Atomkerne verwendet werden?

• Bildgebung von Gewebe und Organen;
• Krebsbehandlung;
• Diagnostik in der Medizin;
• Wissenschaftliche Forschung in Forschungszentren und in der Industrie;
• Stromerzeugung in Kernkraftwerken (Atomkraftwerken);
• Sterilisation von medizinischen Geräten.