核衰变是放射性核素自发地释放射线和能量，最终转化为其他稳定核素的过程。放射性核素在进行核衰变的时候，根据核素的性质可能放射出α射线、
β射线、
γ射线以及俘获电子等。
由於一个原子的衰变是自然地发生，即不能预知何时会发生，因此会以机会率来表示。每颗原子衰变的机率大致相同，做实验的时候，会使用千千万万的原子。当原子开始发生衰变，其数量会越来越少，衰变的速度也会因而减慢。例如一种原子的
半衰期为一小时，一小时后其未衰变的原子会剩下原来的二分一，两小时后会是四分一，三小时后会是八分一。
原子的衰变会产生出另一种元素，并会放出
阿尔法、贝塔粒子或中微子，在发生衰变后，该原子也会释出
伽马射线。衰变后的实物粒子静止质量的总合少於衰变前实物粒子静止质量的总和，因为根据
质能方程，能量可以表现出质量，当物体的能量增加E，其质量则增加E/c2，当物体的能量减少E，其质量也减少E/c2，如果一个原子核衰变后放出实物粒子，假设该原子核在衰变前相对於某一贯性参照物静止，衰变后的新原子核和所放出的实物粒子相对於该惯性参照物运动，即对於该惯性参照物而言，新原子核和所放出的实物粒子具有动能，当新原子核或所放出的实物粒子与其他粒子发生碰撞，它便会失去能量。因此，衰变前和衰变后质量和能量都是守恒的，粒子的静止质量则不守恒。如果该原子核放出光子，同样的，光子也具有质量，但没有静止质量。通常衰变所产生的产物多也是带放射性，因此会有一连串的衰变过程，直至该原子衰变至一稳定的
同位素。
发生核衰变的放射性核素有的是在自然界中出现的天然放射性同位素，如碳14，但其衰变只会经过一次β衰变转为氮14原子，并不会一连串地发生。也有很多是经过粒子对撞等方法人工制造的核素