In natura esistono diversi tipi di nuclei atomici che generalmente possono essere suddivisi in due gruppi: i nuclei stabili e i nuclei instabili. Prima di tutto dobbiamo rispondere ad una domanda fondamentale già proposta a Rutherford quando espone il suo modello atomico: "perché all’interno di quella ristrettissima regione di spazio chiamata nucleo i protoni (che hanno cariche dello stesso segno) non si respingono?" La risposta a questa domanda ci è stata data dal famoso fisico italiano Enrico Fermi che scoprì l’esistenza all’interno del nucleo di una forza aggregante(chiamata forza di Fermi o forza di interazione forte) maggiore della forza di repulsione, per la quale i protoni, o meglio i nucleoni non si dividono sparpagliandosi, ma rimangono vicini e compatti all’interno del nucleo. Questa è una forza molto intensa ma agisce solamente su distanze estremamente piccole, tanto da essere chiamata anche forza "a breve raggio".
A questo punto ci possiamo chiedere da che cosa dipende in definitiva la stabilità di un nucleo; ma, per rispondere, dobbiamo considerare alcuni punti.

Il nucleo è tanto più stabile quanto più elevata è la sua energia di legame nucleare. Un nucleo è stabile dal punto di vista energetico, cioè non emette spontaneamente radiazioni, finché il numero dei protoni è circa uguale al numero dei neutroni: questo si verifica quando con n=numero neutroni e p=numero protoni. (grafico rapporto n/p) Come ogni altro sistema fisico in equilibrio energetico instabile, anche il nucleo degli elementi radioattivi tende spontaneamente ad uno stato di maggior stabilità (a energia minima) e lo realizza emettendo energia sottoforma di radiazioni di varia natura. Stabilito che Z=numero atomico ad A=numero di massa di un atomo, questo processo noto con il nome di decadimento radioattivo, avviene con modalità diverse a seconda dei casi:

Rapporto neutroni/protoni nei nuclidi stabili. I nuclidii stabili si dispongono in una fascia intorno alla linea (a) che, fino a Z=20coincide praticamente con la retta n/p=1, poi se ne discosta al prevalere di n su p. Al di fuori della fascia si trovano i nuclidi intabili (n/p molto elevato), che decadono spontaneamente a nuclidi stabili (radioattività spontanea)

1. Z>82 e A>200: si ha il decadimento a. Negli elementi ad elevato numero atomico sono presenti sempre in maggior sovrannumero i neutroni, per bilanciare le sempre più intense forze di repulsione coulombiana dei protoni. Il nucleo, in questo caso, decade emettendo un nucleo di elio (cioè due protoni e due neutroni legati fra loro) chiamato appunto radiazione a. Le radiazioni a sono di natura corpuscolare (ovvero sono delle particelle che possiedono una determinata massa u.m.a.) e rispetto alle altre sono le meno penetranti poiché possono essere fermate da una finissima lamina metallica o circa 8cm d’aria. Sono comunque sia carcerogene che mutagene. Viaggiano a circa 20000Km/s.

ovvero radiazioni per 4,5 miliardi di anni

2. Con un rapporto >1 (dove n è il numero dei neutroni e p quello dei protoni): il nucleo contiene troppi neutroni rispetto ai protoni; diventa più stabile se uno dei suoi neutroni decade a protone dando luogo al decadimento b. Ciò significa che il numero di massa rimane costante, ma il numero atomico Z aumenta per ogni decadimento b di un’unità, poiché ogni neutrone emettendo un elettrone (i cosiddetti raggi b) e un neutrino (una particella di massa molto più piccola di quella dell’elettrone) si "trasforma" in un protone. Le cosiddette radiazioni b sono sempre di natura corpuscolare ma sono molto più penetranti delle a, infatti, per bloccarle sono necessari circa 2m d’aria. Viaggiano ad una velocità che è circa il 90% di quella della luce (300000Km/s), e anche se ionizzano di meno l’aria (possiedono carica negativa) sono molto più pericolose delle radiazioni a.

1. 

3. Decadimento con emissione di raggi g. Queste radiazioni sono di natura elettromagnetica (e sono quindi onde ricche di energia perché ad alta frequenza, elettricamente neutre e praticamente prive di massa, a meno che non si consideri la natura corpuscolata dei "quanti" che viaggiano con loro, ) e proprio per questo estremamente penetranti. Essendo tra tutte le onde elettromagnetiche le più energetiche (poiché hanno minima lunghezza d’onda e massima frequenza) sono anche le più pericolose perché, quando attraversano tessuti organici sono carcerogene e mutagene. I raggi g vengono emessi durante il decadimento a o b di numerosi nuclidi radioattivi naturali o artificiali. In questo decadimento non si verifica cambiamento del numero di massa o del numero atomico, ma si hanno variazioni di energia all'interno del nucleo conseguenti all’assestamento dei nucleoni che, nel decadimento a o b, non hanno ancora raggiunto il minor contenuto energetico, trovandosi in uno stato eccitato; il ritorno allo stato di energia minima avviene appunto con emissione di raggi g.

Decadimento delle famiglie radioattive U 238,
U 235 e Th 232. Come si può vedere, in alcuni casi uno stesso nuclide può disintegrarsi in due modi diversi. Tutte e tre le famiglie conducono, comunque, a isotopi del piombo stabili.