Frumefni eru efni sem aðeins eru samsett úr einni gerð frumeinda (atóma). Frumeindir eru gerðar úr róteindum, rafeindum og nifteindum. Róteindir og nifteindir eru í kjarna frumeindanna og er kjarnanum haldið saman af sterkum kjarnakröftum. Rafeindir sveima á brautum umhverfis kjarnann. Fjöldi róteinda segir til um eiginleika hverrar frumeindar. Frumeindir hvers frumefnis hafa alltaf sama fjölda róteinda en fjöldi nifteinda getur hins vegar verið breytilegur. Til dæmis hefur vetni, sem er einfaldasta frumefnið, eina róteind. Hins vegar eru til þrjár mismunandi samsætur af vetni, þ.e. vetni (1 róteind, engin nifteind), dítríum (1 róteind, 1 nifteind) og trítíum (ein róteind, 2 nifteindir). Flest frumefni sem finnast í náttúrunni eru blanda af mismunandi samsætum.

92 frumefni finnast í náttúrunni en okkur mönnunum hefur tekist að búa til nokkur efni í viðbót. Ákveðnir frumeindakjarnar sem finnast í náttúrunni eru óstöðugir, þeir ummyndast sjálfkrafa og losa í leiðinni gríðarmikla orku í formi geislunar. Slík efni eru kölluð geislavirk og kallast ummyndarferlið kjarnasundrun. Við kjarnasundrun losna hlaðnar agnir úr kjarnanum og orsaka geislun. Til eru þrjár tegundir geislunar : α-geislun, β-geislun og γ-geislun. Geislavirkni er mæld með mælieiningunni becquerel (Bq) sem er skilgreind sem 1 kjarnasundrun á sekúndu.

Þegar alfa-geislun á sér stað losnar í raun helíumkjarni frá kjarnanum, þ.e. ögn sem samanstendur af tveimur róteindum og tveimur nifteindum. Þegar beta-geislun á sér stað losnar rafeind úr kjarnanum og þegar gamma-geislun á sér stað losna gríðarlega orkuríkar ljóseindir. Þegar geislavirkt frumefni sendir frá sér alfa- eða betageislun breytist frumefnið í annað frumefni (fjöldi róteinda breytist, fækkar eða fjölgar).

Úraníum-238 (U-238) hefur 92 róteindir og 146 nifteindir. Þessi úraníum-samsæta er geislavirk og sendir frá sér alfa-ögn. Við það myndast nýr kjarni, þóríum (Th-234), með 90 róteindir.

²³⁸₉₂U → ⁴₂α + ²³⁴₉₀Th

Þóríumkjarninn er líka óstöðugur. Í kjarnanum ummyndast ein nifteind í róteind og sendir frá sér beta-geislun sem er í raun háhraða-rafeind.

¹₀n → ¹₁p + β ^–

Þetta er svokölluð beta-geislun. Þóríum-kjarninn sem myndaðist við alfa-sundrun á úraníum-238 sundrast áfram með beta-geislun og verður að prótaktíníum (Pa-234).

²³⁴₉₀Th → ²³⁴₉₁Pa + β ^–

Prótaktíníum er líka óstöðugt efni og ummyndast áfram. Ummyndunin heldur áfram en á endanum myndast blý-206 (Pb-206) sem er stöðugt.

Þegar alfa- eða betageislun hefur átt sér stað verður yfirleitt endurröðun í kjarnanum en við það losnar orka á formi gammageislunar. Alfa-ögn er stór í samhengi kjarnorkunnar og ferðast því frekar hægt í gegnum efni. Því eru miklar líkur á að ögnin lendi á öðrum frumeindum og gefi frá sér hluta orkunnar við hvern árekstur. Alfa-agnir missa því orku sína hratt og geta einungis ferðast stuttar vegalengdir. Beta-agnir eru miklu smærri en alfa-agnir og hreyfast miklu hraðar. Þær lenda því mun sjaldnar á frumeindum en alfa-agnir miðað við sömu vegalengd og geta því ferðast mun lengra. Gammageislar tapa orku aðallega með samverkun við rafeindir atóma. Geislunin ferðast mjög langar vegalengdir og nánast er ómögulegt að fanga og skerma geislunina algerlega.

Til eru fjórar náttúrulegar geislavirkar frumefnaseríur (mynd 6.2). Hver sería inniheldur hóp frumefna sem myndast hafa þegar þungir atómkjarnar hafa sundrast með röð af alfa- og betasundrun þar til stöðugur kjarni myndast. Helmingunartími neptúníums er 2 milljónir ára, sem er stutt miðað við aldur jarðarinnar og því er sundrun neptúníum-seríunnar lokið fyrir löngu síðan.

Helmingunartími geislavirkra efna er sá tími sem það tekur helming kjarnanna í efninu að geisla frá sér og ummyndast. Þessi tími er óháður upphaflegu magni efnisins. Ef við höfum 100 grömm af geislavirku efni með helmingunartímann 2 sekúndur þá munum við hafa 50 g af efninu eftir 2 sekúndur, 25 g eftir 4 sekúndur, 12,5 g eftir 6 sekúndur og svo framvegis. Helmingunartími geislavirkrar samsætu er fasti. Þegar mikið er af geislavirkri samsætu er mikil geislavirkni í umhverfinu. Þegar fleiri og fleiri kjarnar í sýninu hafa hrörnað hægir á geisluninni, þ.e. minni geislun verður á tímaeiningu þegar færri geislavirkir kjarnar eru eftir. Eftir 10 helmingunartíma er um 0,1% af upprunalega efninu enn til staðar.

Geislun er, og hefur alltaf verið, hluti af náttúrulegu umhverfi á jörðinni. Sú náttúrlega geislun sem við verðum fyrir er geislun sem berst frá geimnum (geimgeislun), geislun frá geislavirkum efnum í jarðvegi og bergi, geislun frá geislavirkum efnum í líkama okkar (þ.á m. geislavirkt kolefni, C-14, og geislavirkt kalíum, K-40) og geislun frá geislavirkum lofttegundum sem við öndum að okkur (Rn-222). Stór hluti geislavirkni í líkamanum stafar af lofttegundum sem myndast vegna sundrunar í úraníum-seríunni annars vegar og þóríum-seríunni hins vegar. Þessar lofttegundir stíga upp úr bergi og jarðvegi, dreifast og eru mælanlegar í andrúmsloftinu. Við öndum þeim að okkur, sem og niðurbrotsefnum þeirra. Plöntur og dýr taka einnig upp geislavirk efni og því innihalda flestar fæðutegundir geislavirk efni af náttúrulegum uppruna. Þannig innihalda ýmsar korntegundir nokkuð hátt magn geislavirkra efna en mjólkurvörur, ávextir og grænmeti minna. Náttúruleg geislavirkni á Íslandi er lág og mun lægri en á hinum Norðurlöndunum, þar sem berggrunnurinn hérlendis er að mestu gerður úr basísku eldfjallabergi sem er snautt af geislavirkum efnum.