Epävakaa atomiytimi hajoaa spontaanisti muodostaen ytimet korkeammalla vakaudella. Hajoamisprosessia kutsutaan radioaktiivisuus. Hajoamisen aikana vapautuvaa energiaa ja hiukkasia kutsutaan säteilyksi. Kun epästabiilit ytimet hajoavat luonnossa, prosessille viitataan luonnollisena radioaktiivisuutena. Kun epästabiilit ytimet valmistetaan laboratoriossa, hajoamista kutsutaan indusoiduksi radioaktiivisuudeksi.
Luonnollista radioaktiivisuutta on kolme päätyyppiä:
Alfa-säteily
Alfa-säteily koostuu positiivisesti varautuneiden hiukkasten virrasta, nimeltään alfahiukkasista, joilla on atomimassa 4 ja varaus +2 (heliumytuma). Kun alfahiukkaset poistuvat ytimestä, ytimen massa lukumäärä vähenee neljällä yksiköllä ja atominumero vähenee kahdella yksiköllä. Esimerkiksi:
23892U → 42Hän + 23490th
Heliumin ydin on alfahiukkas.
Beeta-säteily
Beeta-säteily on elektronivirta, jota kutsutaan beetahiukkaset. Kun beetahiukkaset poistuvat, ytimen neutroni muuttuu protoniksi, joten massa numero ytimen on muuttumaton, mutta atomiluku kasvaa yhdellä yksikkö. Esimerkiksi:
23490 → 0-1e + 23491pa
Elektroni on beetapartikkeli.
Gammasäteily
Gammasäteet ovat korkeaenergisia fotoneja, joilla on hyvin lyhyt aallonpituus (0,0005 - 0,1 nm). Gammasäteilyn emissio johtuu atomin ytimen energian muutoksesta. Gammaemissio ei muuta atominumeroa eikä atomimassa. Alfa- ja beeta-emissioihin liittyy usein gammaemissioita, kun kiihtynyt ydin putoaa alempaan ja vakaampaan energiatilaan.
Alfa, beeta ja gammasäteily mukana myös indusoidun radioaktiivisuuden kanssa. Radioaktiiviset isotoopit valmistetaan laboratoriossa pommitusreaktioilla stabiilin ytimen muuttamiseksi radioaktiiviseksi ytimeksi. Positronin (hiukkasen, jolla on sama massa kuin elektronin, mutta +1: n varaus -1: n sijasta) emissiota ei havaita luonnollisessa radioaktiivisuudessa, mutta se on yleinen hajoamismuoto indusoidussa radioaktiivisuudessa. Pommitusreaktioilla voidaan tuottaa erittäin raskaita elementtejä, mukaan lukien monia, joita ei esiinny luonnossa.