原子結構及原子核衰變
每種物質的元素都由化學性質完全相同的原子組成。每種元素的原子由原子核及核外繞行的電子組成。原子核由質子和中子組成，中子不帶電，質子帶正電荷，電荷量與核外電子所帶負電荷量完全相等。通常用符號“e”表示壹個電子的電荷量，e=1.60210×10-19C。壹個電子的質量等於9.1091×10-28g；壹個質子的質量等於1.67252×10-24g，為電子的1836倍。中子的質量略大於質子，為1.67482×10-24g。在正常狀態下，原子的核外繞行電子總數等於核內質子總數，所以原子為中性。原子的質量主要為原子核中質子(Z)和中子(N)的質量之和，稱為質量數(A=Z+N)。原子核的半徑R=1.5×10-13A1/3；並且原子核的球形體積與A成正比。
原子核外的每個電子都以確定的軌道繞核運行。每個繞行的殼層電子在核電荷場的作用下形成特定的能級，稱為殼層電子的結合能(En)：
核輻射場與放射性勘查
式中：R=1.0974×107m-1，為裏德伯常數；h=6.6262×10-34J·s，為普朗克常數；c=3.0×108m/s，為光速；Z為原子序數；an為正數，與殼層的電子數目有關；n為主量子數。
具有相同主量子數n的電子構成壹個能級，這個主量子數n值代表電子繞核運行空間區域的大小。按照壹定規律，核外電子形成彼此分離的殼層。最靠近核的殼層稱為K殼層(主量子數n=1)，它的外面為L殼層(n=2)，再向外為M殼層、N殼層、O殼層、P殼層等。每個殼層最多可以有2n2個電子數。n=1 為K殼層，最多有2個電子；n=2為L殼層，最多為8個電子；n=3為M殼層，最多有18個電子。每個電子有自己獨立的運行軌道，即每個軌道角動量數(l)不同，因此同壹殼層的電子的位能也有差別。每個殼層又可分為若幹個支殼層。支殼層數等於(2l+1)個。l=n-1，可見K殼層沒有支殼層，L殼層有3個支殼層，M殼層有5個支殼層。不同支殼層有不同的電子結合能。
元素(X)的原子核內所有質子(Z)和中子(N)均稱為核子。原子序數(Z)等於原子核中的質子數，核內的總電荷量為Ze。凡是原子序數(Z)相同的原子核的周圍，就有相同數目的(Z及Ze)核外電子，形成化學性質相同的原子。也就是說同壹種元素的原子核中，質子數必須相等；但中子數(N)不壹定相同，即原子核的總質量數(A=Z+N)可以不同。具有確定質子數和中子數的壹類原子或原子核稱為核素，通常寫成 形式；具有相同Z值不同A值的核素稱為同位素。例如鐵元素(Fe)的2個核素可寫為 和 ；鈾的2個核素為 和 。
原子核結合能處於最低能量狀態(即基態)，是所有穩定原子核的狀態。高於基態的能量狀態，為不穩的激發態。自然界有壹些元素的原子核處於不穩定狀態，能自發地發生變化，由壹種原子核轉變為另壹種原子核，並伴隨著放出壹種特殊射線，這種現象稱為核衰變，這樣的元素稱為天然放射性核素(同位素)。現將主要核衰變類型簡介如下。
1)α衰變。處於激發態的放射性核素(X)，自發地放出α粒子，而轉變成另壹種原子核(Y)的過程，稱為α衰變。α粒子由2個質子和2個中子組成，質量數為4。原子序數為2，即為高速運動的氦原子核。所以，衰變後的放射性核素與母核素相比質量數A減4，原子序數降低2位。可表示為
核輻射場與放射性勘查
例如： (鈾)的原子核經α衰變轉變為 (釷)； (鐳)經α衰變為 (氡)。式中Q為衰變能量，其值等於母體核素原子質量與子體核素原子及α粒子數總質量之差。
2)β衰變。放射性核素(X)自發地使核內壹個中子轉變為質子，放出帶負電荷的β粒子，其實質上就是壹個高速運動的電子。β粒子質量與電子的靜止質量相等，帶壹個負電荷。β衰變生成的核素質量數不變，原子序數增加壹位，可表示為
核輻射場與放射性勘查
例如： (碳)的原子核，衰變為 (氮)同時放出β粒子及中微子ν，Q為衰變能量。β粒子就是電子，中微子的質量很小，可以忽略，因此Q等於母體核素質量與子體核素質量之差(Q=mZ-mZ+1)。
3)電子俘獲。放射性核素(X)自發地俘獲壹個核外軌道電子，使核內壹個質子變為中子，生成的新核素質量數與母核相同，原子序數比母核減少壹位。可表示為
核輻射場與放射性勘查
例如： (鉀)核俘獲e-後轉變為 (氬)。因為K殼層電子離原子核最近，K殼層電子被俘獲的幾率最大，因此也叫K電子俘獲。
有壹些放射性核素能同時發生β衰變和軌道電子俘獲。此外在β衰變或電子俘獲的核衰變過程中，同時放出質量極小的中性粒子中微子，其特點是穿透能力極強，可以穿透地球。有人正在研究它的用途。
4)同質異能γ躍遷。常見的是α衰變或β衰變產生的新原子核，處於激發態的時間很短(約10-13s)，很快躍遷到較低能級或基態，並放出γ光子(又叫γ射線，為波長極短的電磁波)。這種現象僅發生能級躍遷，而核的質量數(A)和原子序數(Z)都不變，所以稱為同質異能γ躍遷。有些原子核的激發態存在時間較長，可以作為獨立的放射性核素，這些通過γ躍遷的母核素與子核素稱為同質異能素。