不稳定的原子核能够自发地放射出某种射线，从而转变成另外一种核素的过程称为核衰变。把衰变前的核称作母核或母体，用X来表示。而把衰变后新生的核称作子核或子体，用Y来表示。如果子核还是放射性的，就还会继续衰变，因此就有第一代子核、第二代子核之分。

放射性核素的原子核自发地放射出α粒子的衰变称为α衰变。核素衰变后，其质量数A要减少4，其质子数即原子序数Z要减少2。α衰变可用下列通式表示：

发生α衰变的放射性核素多位于重核区（Z > 82）。例如： ²²⁶ ₈₈Ra→ ²²² ₈₆Rn +α。

β衰变分为3种类型：β ^-衰变、β ⁺衰变和电子俘获。

放射性核素的原子核自发地放射出电子的衰变称为β ^-衰变。此时放射出的电子称为β ^-粒子。核素衰变后，其质量数A不变，质子数即原子序数Z要增加1。β ^-衰变可用下列通式表示：

发生β ^-衰变的放射性核素均为富中子核素，衰变过程中，一个中子转变成一个质子，同时发射出一个β ^-粒子和一个反中微子。例如： ³² ₁₅P→ ³² ₁₆Rn + β ^- + ν ^-。

放射性核素的原子核自发地放射出正电子的衰变称为β ⁺衰变。此时放射出的正电子称为β ⁺粒子。核素衰变后，其质量数A不变，质子数即原子序数Z要减少1。β ⁺衰变可用下列通式表示：

发生β ⁺衰变的放射性核素均为富质子核素，衰变过程中，一个质子转变成一个中子，同时发射出一个β ⁺粒子和一个中微子。例如： ¹⁸ ₉F→ ¹⁸ ₈0 + β ⁺ + ν。

如果放射性核素为富质子核素，但又达不到发生β ⁺衰变的条件，则原子核可以从核外靠近核的内层电子轨道上（通常是K层，有时是L层）夺取一个绕行电子，用这个电子使核内一个质子转变成一个中子。这种核衰变过程称为电子俘获（EC），如果俘获的电子为K层电子，称为K电子俘获。

核素发生电子俘获以后，Z减少1，中子数N增加1，质量数A保持不变。电子俘获可用以下通式表示：

发生电子俘获的放射性核素均为富质子核素，衰变过程中，一个质子转变成一个中子，同时发射出一个中微子。例如： ¹²⁵ ₅₃I + e→ ¹²⁵ ₅₂Te + ν。

发生电子俘获衰变后的新生核素，其内层轨道（K或L）上出现了空缺，此时会有内层以外的轨道电子跃迁下来，补上空缺，并将多余的能量以X射线的形式发射出去；但实验发现，当一个电子从外层（如L层）轨道上跃迁到内层（如K层）轨道上时，并不完全是以电磁波的形式释放多余的能量，而有时是将多余的能量转移给L层（或更外层）的另外一个电子上，从而把这个电子从原子中抛射出去，成为自由电子，这个被抛出去的电子就叫做“俄歇电子”。因此发生电子俘获衰变的同时会有X射线和俄歇电子的发射。

能满足电子俘获的条件，并不一定能满足β ⁺衰变。但能满足β ⁺衰变的条件一定能满足电子俘获的条件。在许多人造放射性核素中，同时具有这两种衰变，即同时有β ⁺和X射线放出，伴随X线发射的有时还有俄歇电子。

γ衰变一般不能单独发生，而是伴随着α衰变或者β衰变同时发生。因为有些放射性的原子核，当放射出α粒子或β粒子以后，新生子核仍然处在激发状态，处在激发状态的原子核是不稳定的，它要向基态跃迁，将多余的能量以γ光子的形式发射出来，同时核内实现核子重排，进入稳定的基态，这个过程称为γ衰变。

γ光子本质为电磁波，不带电荷，静止质量为0，所以在发生了γ衰变后，原子核的质量数A和原子序数Z都不发生改变，只是从激发态跃迁到稳定的基态。γ衰变可用如下通式来表示：

式中：母核的质量数A后面的m代表该核素的核处于激发态。

例如： ^99mTc→ ⁹⁹Tc + γ。

某些情况下，原子核从激发态向低能级跃迁时，并不发射出γ射线，而是把它的能量传递给核外的一个轨道电子，该电子获得如此大的能量，就脱离了原子的束缚，离开原子。这个过程称为内转换（IC），释放出的电子称为内转换电子。内转换电子主要是K层电子，也有L层电子或其他壳层的电子。

内转换发生后，在原子的K层或L层留下空穴，因此还会伴有X射线或俄歇电子发射。

原子核能级之间发生跃迁时，发射γ射线的概率和发生内转换的概率完全由核能级特性决定。一般情况下，当核的激发态的寿命较长，能量较低（小于100keV）时，发生内转换的概率比较大。

γ衰变和内转换统称为同质异能跃迁（IT）。