Hvert element har en eller flere isotoper med ustabilkjerner, som kan gjennomgå radioaktivt forfall. I denne prosessen kan kjernen frigjøre partikler eller elektromagnetisk stråling. Når kjernens radius er større enn virkningsradiusen til den sterke kraften, kan radioaktivt forfall oppstå, og virkningsradiusen til den sterke kraften er bare noen få femtometere.
De vanligste radioaktive forfallene er som følger:
Alfaforfall: Kjernen frigjør en alfapartikkel, en heliumkjerne som inneholder to protoner og to nøytroner. Resultatet av forfall er et nytt element med et lavere atomnummer.
Betaforfall: et fenomen av svak interaksjon der et nøytron forvandles til et proton eller et proton forvandles til et nøytron. Førstnevnte er ledsaget av frigjøring av et elektron og en antineutrino, mens sistnevnte frigjør en positron og et nøytrino. De frigjorte elektronene eller positronene kalles betapartikler. Derfor kan betaforfall øke eller redusere atomnummeret til atomet med en.
Gammaforfall: Energinivået i kjernen reduseres, og elektromagnetisk stråling frigjøres, vanligvis etter frigjøring av alfapartikler eller betapartikler.
Halveringstiden til isotoper med Z-protoner og N nøytroner
Andre relativt sjeldne radioaktive forfall inkluderer: slippe nøytroner eller protoner, slippe kjerner eller elektronklynger, og generere høyhastighets elektroner i stedet for betastråler og høyenergi fotoner i stedet for gammastråler gjennom intern konvertering.
Hver radioisotop har en karakteristisk forfallsperiode, som er halveringstiden. Halveringstid er tiden som kreves for at halvparten av prøven skal forfalle. Dette er et eksponentielt forfall, det vil si en konstant forfall på 50% av prøven under hver halveringstid. Med andre ord, etter to halveringsliv, gjenstår bare 25% av startisotopen.