原子核自发地发射α、β、γ等各种射线的现象，称为天然放射性。自然界一些重元素的原子核是不稳定的，在不受外界（温度、压力等）影响下，能够自发地改变核结构，由一种原子核转变为另一种原子核。核衰变主要由三种，即α衰变、β衰变和γ衰变。
a.原子核自发衰变时放出α射线（粒子），称α衰变。α射线实际上是高速运动的氦原子核，由二个质子和二个中子组成，带二个单位正电荷。它的电离作用强，贯穿本领小。
b.原子核自发衰变时放出β射线或俘获一个轨道电子而变成另一个核素的原子核（也称轨道电子俘获），称β衰变。β衰变有三种类型，β-、β+衰变和电子俘获。天然放射性物质主要作β-衰变，放出β粒子。β粒子是高速运动的电子流。它的电离作用较弱，贯穿本领较大。
c.原子核在α衰变或β衰变时，形成新的原子核大多处于激发状态，在跃迁到低能态或基态时放出多余的能量，为γ量子叫γ射线。这样的核衰变过程称γ衰变。如226Ra经α衰变产生222Rn，同时放出能量E=0.188 MeV的γ射线（图10.1.1）。γ射线是光子流，是波长很短的电磁波，它的电离作用很弱，贯穿本领大。
图10.1.1 Ra衰变纲图
放射性分为天然放射性和人工放射性。天然放射性核素一部分是与地球同时生成的，现存的长寿命核素，一部分由宇宙射线照射地球上的稳定核素使之转变为放射性核素；利用适当能量的中子、带电粒子或γ射线轰击稳定核素的原子核，使之转变为放射性核素，称人工放射性核素。
10.1.1.1 放射性衰变基本规律
放射性衰变是个别事件的集合，服从统计规律。实验和统计理论研究表明：放射性衰变遵循指数衰减规律，即
环境地球物理学概论
式中：N0表示t=0时刻的放射性原子核的数目，N表示经过t时间后还存在的放射性原子核数目，λ为衰变常数，表示在单位时间内某种放射性原子核发生衰变的几率，单位为s-1。
任何一种放射性核素都有自己确定的衰变常数λ，而与外界物理化学条件无关。λ值的大小表示放射性衰变的快慢，λ值越大，放射性核素衰变得越快。
根据（10.1.1）式可知放射性核素的原子核总数衰变到原来一半时，即 N=N0，所需要的时间T1/2称为半衰期。根据（10.1.1）式可得T1/2与λ的关系式为
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10.1.1.2 电离辐射与物质的相互作用
各种射线在通过物质时，与相遇物质的原子中的电子和原子核碰撞，相互之间进行能量的传递与交换，使物质的原子发生电离或激发。α粒子和β粒子为带电粒子，与物质的相互作用以电离和激发为主。γ射线与物质作用，产生光电效应、康普顿效应、电子对效应三种主要作用形式损失能量而衰减。
（1）带电粒子与物质的相互作用
α粒子为带电重粒子。α粒子与物质主要作用是电离和激发。当能量全部耗尽时便停止运动。它在空气中射程只有几个cm。用一张纸就能挡住α粒子；β粒子是高速运动的电子流。β粒子的作用主要是电离和激发、韧致辐射和电子的散射，在空气中的运动轨迹是折线。
（2）γ射线与物质的相互作用
γ射线通过物质与物质作用的主要形式有三种，即光电效应、康普顿效应和形成电子对效应。γ射线通过物质时，可与原子中某一电子层中的一个电子发生直接碰撞，而将其全部能量交给电子，使它脱离原子，光子则整个被吸收，这种电子称为光电子，这种现象称为光电效应。随着入射光子能量的增加，光电效应发生的几率越来越小。当光子能量增大到比原来的外层电子结合能大很多倍时，光子一部分能量交给电子，使电子以一定角度发射出去，而损失能量后的光子成为散射光子，这种作用称为康普顿效应或康普顿散射。当光子的能量大于两个电子的静止能量时，即大于1.02 MeV时，光子与原子核的电场相互作用，使一个光子转化为一对正负电子，则光子完全被吸收，这种现象称为电子对效应。
γ射线通过物质时，通过以上三种作用而发生衰减。它的电离能力较α、β粒子弱，但穿透能力强，在空气中能走过几百米的距离。