Varje element har en eller flera isotoper med instabila atomkärnor, som kan genomgå radioaktivt sönderfall. I denna process kan kärnan frigöra partiklar eller elektromagnetisk strålning. När kärnans radie är större än den starka kraftens handlingsradie kan radioaktivt sönderfall uppstå, och den starka kraftens handlingsradie är bara några femtometer.
De vanligaste radioaktiva sönderfallen är följande:
Alfaförfall: Kärnan frigör en alfapartikel, en heliumkärna som innehåller två protoner och två neutroner. Resultatet av förfall är ett nytt element med ett lägre atomnummer.
Betaförfall: ett fenomen med svag interaktion där en neutron omvandlas till en proton eller en proton omvandlas till en neutron. Den förstnämnda åtföljs av frisättningen av en elektron och en antineutrino, medan den senare släpper ut en positron och en neutrino. De frisläppta elektronerna eller positronerna kallas betapartiklar. Därför kan betaförfall öka eller minska atomens atomnummer med ett.
Gammaförfall: Kärnans energinivå minskas och elektromagnetisk strålning frigörs, vanligtvis efter utsläpp av alfapartiklar eller betapartiklar.
Halveringstid för isotoper med Z-protoner och N-neutroner
Andra relativt sällsynta radioaktiva sönderfall inkluderar: frigöra neutroner eller protoner, släppa ut atomkärnor eller elektronkluster och generera höghastighetselektroner istället för betastrålar och högenergifotoner istället för gammastrålar genom intern omvandling.
Varje radioisotoper har en karakteristisk sönderfallsperiod, vilket är halveringstiden. Halveringstid är den tid som krävs för att halva provet ska förfalla. Detta är ett exponentiellt förfall, det vill säga ett konstant förfall av 50% av provet under varje halveringstid. Med andra ord, efter två halveringar återstår bara 25% av startisotopen.