Przez przemianę jądrową rozumiemy przekształcenie się danego jądra atomowego w inne jądro w połączeniu z emisją cząstki (jądra  helu ), (elektronu albo pozytonu)  lub (fotonu). Nazwa przemiany określona jest przez nazwę emitowanej cząstki. Za przemianę uważa się także wychwyt elektronu z powłoki atomowej.

Kiedy wyemitowana jest cząstka , to przekształcane jądro ma liczbę masową mniejszą o 4 i liczbę atomową mniejszą o 2. 

(14.3.1)

W przemianie liczba masowa się nie zmienia, a liczba atomowa zmienia się o jeden:

(14.3.2)

W przemianie obie liczby pozostają niezmienione, zmienia się natomiast energia wzbudzenia jądra

(14.3.3)

Przemiany zachodzące samorzutnie nazywamy naturalnymi przemianami jądrowymi, a izotopy pierwiastków ulegających przemianom naturalnym nazywamy promieniotwórczymi. Pierwsze przemiany promieniotwórcze zostały zaobserwowane przez Becquerella w 1896 roku, a następnie przez Marię Skłodowską-Curie i Pierre'a Curie w 1898 roku. Można uzyskać także izotopy promieniotwórcze drogą reakcji jądrowych. Pierwsze izotopy promieniotwórcze zostały otrzymane przez Irenę i Fryderyka Joliot-Curie. Obecnie znamy ponad 2000 izotopów, spośród których tylko 267, to izotopy trwałe, zaś pozostałe - to izotopy promieniotwórcze.

Przemiana promieniotwórcza, zwana także rozpadem promieniotwórczym, jest procesem statystycznym. Oznacza to, że nie można przewidzieć w której chwili dane jądro ulegnie rozpadowi, można natomiast określić prawdopodobieństwo tego rozpadu. Rozpady poszczególnych jąder następują niezależnie od siebie.  Liczba jąder, które ulegną rozpadowi w krótkim przedziale czasu proporcjonalna jest do liczby jąder N i do długości przedziału czasu, dt

(14.3.4)

gdzie jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym stałą rozpadu. Znak minus we wzorze (14.3.4) oznacza, że liczba jąder ulegających rozpadowi , odejmuje się od liczby jąder N.  Dzieląc obie strony tego wzoru przez N  uzyskujemy równanie różniczkowe, które można łatwo scałkować

(14.3.5

gdzie C jest stałą całkowania. Oznaczając przez N₀ liczbę jąder w  chwili początkowej tj. dla t=0 możemy wyznaczyć stałą całkowania:. Liczba jąder, które nie rozpadły się w czasie t  wynosi więc

(14.3.6)

Wzór (14.3.6) wyraża prawo rozpadu promieniotwórczego - podstawowe prawo przemian jądrowych. Liczba jąder, które uległy rozpadowi w czasie t wynosi

(14.3.7)

Średni czas życia jądra promieniotwórczego równy jest odwrotności stałej rozpadu;. Czas, w którym rozpadowi ulega połowa początkowej liczby jąder nazywany jest czasem połowicznego zaniku. Czas ten wyznaczyć można za związku

(14.3.8)

Liczba rozpadów zachodzących w jednostce czasu w źródle promieniotwórczym nosi nazwę aktywności A. Aktywność źródła określona jest więc jako stosunek liczby rozpadów w danym przedziale czasu do wielkości tego przedziału, patrz wzór (14.3.4),

(14.3.9)

Jednostką aktywności jest bekerel (Bq). Jeden bekerel, to aktywność źródła, w którym zachodzi jeden rozpad na sekundę. Zanik aktywności źródła określony jest przez prawo rozpadu promieniotwórczego.  

Jądra powstające w wyniku przemian jądrowych są często także promieniotwórcze, choć charakteryzują się innym czasem życia. Prowadzi to do tworzenia się tzw. łańcucha lub szeregu promieniotwórczego złożonego z wielu przemian alfa i beta, a kończącego się na jądrze stabilnym czyli takim, które już dalej się nie rozpada. Naturalne przemiany promieniotwórcze tworzą cztery szeregi, których nazwy pochodzą od nazw pierwszych izotopów danego szeregu.  Szeregi te tworzą rodziny izotopów, których liczby masowe wyrazić można wzorem

(14.3.10)

bowiem w każdej przemianie liczba masowa zmienia się o cztery, a w przemianie nie zmienia się. 

Czasy życia pośrednich izotopów szeregu są zwykle znacznie krótsze, ale istnienie danego szeregu określone jest przez czas życia pierwszego izotopu w łańcuchu. Dlatego w przyrodzie nie występują już naturalne izotopy  szeregu neptunowego, bowiem czas życia izotopu  ²³⁷₉₃Np (2.2*10⁶ lat) jest znacznie krótszy od wieku Ziemi, który szacuje się na 10⁹ lat.