นิวเคลียสที่ไม่เสถียร (เช่นกัมมันตภาพรังสี) สามารถมีเสถียรภาพมากขึ้นหลังจากปล่อยอนุภาคและพลังงาน กระบวนการนี้เรียกว่าการสลายตัว (การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี) อนุภาคหรือพลังงานเหล่านี้ (หลังที่ปล่อยออกมาจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) จะเรียกรวมกันว่ารังสี รังสีที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสที่ไม่เสถียรสามารถเป็นอนุภาคอัลฟา (นิวเคลียสฮีเลียม) อนุภาคเบต้า (อิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน) รังสีแกมมาหรือนิวตรอน
ในระหว่างกระบวนการสลายตัวของนิวคลิไซด์รังสีจํานวนนิวเคลียสของนิวเคลียสจะค่อยๆลดลง เวลาที่จําเป็นในการสลายตัวเพียงครึ่งหนึ่งของมวลเดิมเรียกว่าครึ่งชีวิตของนิวคลิไดด์ แต่ละ radionuclide มีครึ่งชีวิตที่เฉพาะเจาะจงตั้งแต่ไม่กี่ไมโครวินาทีถึงล้านปี
ปรากฏการณ์ที่นิวเคลียสอะตอมกลายเป็นนิวเคลียสใหม่เนื่องจากการปล่อยอนุภาคบางอย่าง นิวเคลียสเป็นระบบควอนตัม การสลายตัวของนิวเคลียร์เป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียส มันเป็นกระบวนการเปลี่ยนควอนตัมและเชื่อฟังกฎของสถิติควอนตัม สําหรับ radionuclide ใด ๆ ช่วงเวลาที่แม่นยําของการสลายตัวนั้นไม่สามารถคาดการณ์ได้ แต่โดยรวมแล้วกฎของการสลายตัวนั้นชัดเจนมาก หากจํานวนการสลายตัวของนิวเคลียร์ในช่วงเวลา dt คือ dN จะต้องเป็นสัดส่วนกับจํานวนนิวเคลียสอะตอม N ที่มีอยู่ในเวลานั้นและเห็นได้ชัดว่าเป็นสัดส่วนกับช่วงเวลา dt
การสลายตัวมีสามประเภท: การสลายตัวของอัลฟาการสลายตัวของเบต้าและการสลายตัวของแกมมา
รอยแยกนิวเคลียร์
รอยแยกนิวเคลียร์หมายถึงการแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวเคลียสหลายแห่ง รอยแยกนิวเคลียร์มักเกิดจากนิวตรอนที่โจมตีนิวเคลียสด้วยมวลที่มีขนาดใหญ่กว่า หลังจากรอยแยกนิวเคลียสสองส่วนของมวลเท่ากันจะเกิดขึ้นและพลังงานจะถูกปล่อยออกมาบางครั้งส่งผลให้เกิดห่วงโซ่ปฏิกิริยาเกิดขึ้น พลังงาน = มวล╳ของแสงยกกําลังสอง