Promieniotwórczość naturalna została odkryta przez Antoine’a Henriego Becquerela pod koniec XIX wieku. Polega on na samorzutnym rozpadzie nietrwałych jąder naturalnych izotopów pierwiastków chemicznych, czego wynikiem jest emisja promieniowania α (alfa), β-(beta minus), β+(beta plus) lub γ (gamma). Izotopy promieniotwórcze (radioizotopy) to izotopy, których jądra samorzutnie ulegają rozpadom.
Aby jądra atomowe były nietrwałe, oddziaływania elektrostatyczne, które w nich występują, muszą być silniejsze od sił jądrowych. Oddziaływania elektrostatyczne odpowiadają za odpychanie się protonów (cząstki te posiadają dodatni ładunek elektryczny) i mają niższą energię, ale większy zasięg od sił jądrowych, które z kolei odpowiadają za przyciąganie się nukleonów. Występujące w przyrodzie nietrwałe izotopy to np. 3H, 14C, 40K. Nietrwałe są jądra atomowe pierwiastków o
- liczbie atomowej większej od 82,
- liczbie masowej większej od 206 lub
- stosunku między liczbą neutronów a protonów większym od 1,6.
Rodzaje promieniowania emitowanego podczas rozpadu naturalnych izotopów:
Promieniowanie α to strumień cząstek składających się z 2 protonów i 2 neutronów, czyli w praktyce z jąder helu (He2+) o liczbie atomowej 2 i masowej 4. Przemianie takiej ulegają jądra atomów ciężkich pierwiastków, a w jej wyniku powstają nuklidy o liczbie masowej mniejszej o 4 i atomowej mniejszej o 2 od ich pierwotnych wartości. Promieniowanie α jest bardzo słabo przenikliwe, zatrzymuje je m.in. kartka papieru. Ma właściwości jonizujące.
Promieniowanie β- jest strumieniem elektronów, które powstają podczas przemiany neutronów w protony n → p + β- (lub e-). Wynikiem tego rozpadu jest powstanie nuklidów o takiej samej liczbie masowej, ale większej o 1 liczbie atomowej. Ulegają mu głównie jądra atomowe, w których liczba neutronów znacząca przerasta liczbę protonów. Podczas przemiany powstaje także antyneutrino elektronowe. Promieniowanie β- jest bardziej przenikliwe od promieniowania α, zatrzymuje je np. folia aluminiowa. Ma właściwości jonizacyjne.
Promieniowanie β+ to emisja pozytonu tj. cząsteczki o masie elektronu, ale odwrotnym ładunku. Podczas rozpadu β+ następuje przemiana protonu w neutron. W wyniku tej przemiany powstają atomy o liczbie atomowej mniejszej o 1. Ulegają mu takie izotopy jak: 11C, 13N, 15O, 18F i 22Na.
Promieniowanie γ jest strumieniem wysokoenergetycznych fotonów (falą elektromagnetyczną), wysyłanym przez jądra atomowe w celu pozbycia się nadmiaru energii, który pojawił się w nich np. w wyniku emisji cząstek α lub β-. Jest bardziej przenikliwe od promieniowania α oraz β-, jest zatrzymywane dopiero przez kilkudziesięciocentymetrową warstwę ołowiu. Promieniowanie to ma właściwości jonizacyjne.
Warto podkreślić, że radioizotop może emitować różne rodzaje promieniowania, np. 210Bi emituje zarówno α, jak i β- i γ.