自然界中很多核素都是不穩定的，它們會自發地改變其狀態，並產生輻射釋放其能量，此過程稱為放射衰變。會發生放射衰變的核素稱為放射性核素。
核子（即質子與中子）間存在的強大吸引力，稱為強核力。強核力之強，足以超過質子之間相斥的靜電力，使核子聚集成原子核。然而，強核力作用的距離極短，相距稍遠時便會消失。所以對於體積較大的原子核，其結構會因質子間的斥力而變得不穩定。
一些原子序數較大的原子核會發生 α 衰變。原子核會放出一個 α 粒子，即兩個質子和兩個中子，從而原子序數減小 2，質量數減小 4。此過程可表示為
\[\!^{A}_{Z}X\rightarrow\; \!^{A-4\,}_{Z-2}Y + \,^{4}_{2}\textrm{He}\]
質子和中子雖小，它們的內部還有結構。質子和中子本身也會不穩定。β 衰變時，原子核中的一個中子會變成一個電荷為 +\(e\) 的質子和一個電荷為 -\(e\) 的電子。質子留在原子核內，而電子則放射出去成為 β 粒子。此過程可表示為
\[\!^{A}_{Z}X\rightarrow\; \!^{A}_{Z+1}Y + \,^{\;0}_{-1}\textrm{e}\]
α 和 β 衰變都會產生能量。放出的 α 或 β 粒子帶走了一部分的能量。過剩的能量會使餘下的原子核處於高能量狀態，稱為激發態。
處於激發態的原子核會通過放射 γ 輻射，釋放能量，回落至低能量的穩定狀態。此過程可表示為 \[\!^{A}_{Z}X^*\rightarrow\; \!^{A}_{Z}X + \,^{0}_{0}\gamma\] \(X^*\) 表示處於激發態的原子核。此過程前後核素不改變。
