自发裂变（spontaneous fission）是一种放射性衰变，原子核在没有粒子轰击或不加入能量的情况下发生的裂变。这种现象只发生于高原子序的化学元素，重核分裂成两个或几个中等质量的碎片，同时发射出中子和能量。自发裂变是在没有外来粒子轰击的情形下自行发生的核裂变，它同样可用半衰期来衡量裂变发生的难易程度。天然元素的自发裂变仅见于和的同位素。比较α衰变，铀和钍的自发裂变的分支比很小，几乎可以忽略。自发裂变产物与核裂变所产生的相同，但是正如其他形式的核衰变，自发裂变是由于量子隧穿效应，而不像人工核裂变需要以中子或其他粒子撞击来诱发。

放射性衰变方式之一。1940年K.A.彼得扎克和G.N.弗廖罗夫首先观察到238 U核自行发生裂变现象，其半衰期为10^16～10^17年。自发裂变与α衰变一样是量子力学隧道效应的结果。原子核边界有一裂变势垒，电荷数比钍核低的核素，裂变势垒太高，不可能自发裂变；230 Th、235 U、239 Pu等核素自发裂变的概率都很小，半衰期都在10^15～10^17年，自发裂变都不是它们的主要衰变方式；随着超铀核素的不断产生，自发裂变率增大，逐渐成为一些核素的主要衰变方式，例如254 Cf的自发裂变占99.69％，T1/2＝60.5天。自发裂变产物为丰中子核素，极不稳定，可放出中子或发生β-衰变。某些自发裂变核素已用作不需加速器和反应堆的中子源。

理论上质量数（A）大于等于93的β衰变稳定同量素都可以发生自发裂变，因此理论上能够自发裂变的最轻天然核素为-93（93 41Nb）和-94（94 42Mo）。然而在自然界的铌和钼同位素中却都没有观测到自发裂变的迹象。目前只有在质量数232以上的核素中才实际观测到自发裂变现象的发生。其中最轻的核素为钍-232（232 90Th），其半衰期大于宇宙的年龄。钍-232、铀-235（235 92U）及铀-238（238 92U）虽然有极低几率发生自发裂变，但绝大多数时间都进行α衰变。铀-238和铀-235自发衰变时，衰变碎片会在含铀矿物晶体结构中留下破坏的痕迹，这些痕迹称为“裂变径迹”，是放射性定年法中裂变径迹定年法的基础。

锔-250（250 96Cm）是已知最轻的以自发裂变为主要衰变模式的核素。至于最容易进行自发裂变的元素主要为原子序数为100以上的人造锕系金属及系后元素，例如、、等。自发裂变和核裂变一样产生中子，因此如果达到了临界质量，自发裂变能够初始自我维持的连锁反应。另外，明显发生自发裂变的放射性核素能作为中子源，例如-252（半衰期2.645年，自发裂变分支比约为3.1%）便有此应用。所产生的中子能用以检查航空行李中是否藏有爆炸品，或测量高速公路及建筑物土质的湿度。

要计算一种原子核是否能自发裂变，并其发生时长足够短以允许现行方法进行观测，能用以下公式约算：Z^2/A ≥ 47。其中Z为原子序而A为原子量。如果自发裂变所减少的原子核数量是可忽略的，那该过程能准确地模拟为泊松分布。在这种情况下，短时段内发生自发裂变的概率与时长大约成正比。

放射性同位素衰变方式主要有：

1.α衰变

原子核自发地放射出α粒子而转变成另一种核的过程叫做α衰变。对于天然放射性同位素而言，只有质量数A大于140的重原子核才能产生α衰变，特别是原子序数Z大于82和质量数A大于209的放射性同位素，都以α衰变为主。

2.β衰变

β粒子有正、负电子之分，放出正电子的称β+衰变，放出负电子的为β-衰变。

3.轨道电子俘获

原子核捕获一个核外轨道电子的过程称为轨道电子捕获。

轨道电子捕获捕获和β衰变所产生的子体是相同的，究竟发生那一类衰变，取决于衰变前后能量的变化。

4.γ衰变

γ射线是从原子核内部放出的一种电磁辐射，常伴随α或β射线产生。γ衰变的母体和子体是同种同位素，只是原子核内部能量状态不同而已。γ衰变亦可称为同质异能跃迁。

5.核自发裂变

重核分裂成两个或几个中等质量的碎片，同时发射出中子和能量的过程称为原子核自发裂变。自发裂变是在没有外来粒子轰击的情形下自行发生的核裂变，它同样可用半衰期来衡量裂变发生的难易程度。天然元素的自发裂变仅见于铀和钍的同位素。比较α衰变，铀和钍的自发裂变的分支比很小，几乎可以忽略。