Ядрени свойства 
По дефиниция всеки два атома с еднакъв брой протони принадлежат на един и същ 
химичен елемент. Атоми с еднакъв брой протони, но с различен брой неутрони и 
съответно различни масови числа, се наричат изотопи на този химичен елемент. 
Например, всички водородни атоми имат по един протон, но съществуват изотопи без 
неутрон (водород-1 или протий — най-често срещаният изотоп),[65] с един неутрон 
(деутерий), с два неутрона (тритий), както и изотопи с повече неутрони. Известните 
химични елементи образуват поредица от атомни номера, съответстващи на от един 
при водорода до до 118 протона при елемента унуноктий.[66] Всички известни изотопи 
на елементите с атомни номера над 82 са радиоактивни.[67][68]
В естествен вид на Земята се срещат около 339 нуклида,[69][note 2] сред които при 254 
(около 75%) не е наблюдаван разпад, поради което се наричат „стабилни изотопи“. От 
тях обаче само 90 са истински стабилни, докато останалите теоретично могат да се 
разпаднат. Други 34 радиоактивни нуклида имат период на полуразпад над 80 милиона 
години, т.е. те са достатъчно устойчиви, за да съществуват от времето на образуване на 
Слънчевата система. Тази набор от 288 сравнително устойчиви нуклида е известен като 
„първични нуклиди“. Останалите 51 нуклида с по-къс живот се срещат в природата 
като продукти на разпад на първичните нуклиди (например, радий образуван при 
разпада на уран) или като продукти от естествени процеси като бомбардирането на 
Земята с космически лъчи (например, въглерод-14).[70][note 3]
За 80 от химичните елементи съществува понe един стабилен изотоп. Като правило 
общият брой стабилни изотопи за всеки елемент не е голям (средно 3,2). Двадесет и 
шест елемента имат само по един стабилен изотоп, докато най-голям брой стабилни 
изотопи за един елемент има калаят - общо 10. Елементите технеций с номер 43, 
прометий с номер 61 и всички елементи с номер по-голям или равен на 83 (бисмут) не 
притежават стабилни изотопи.

Ядро 
 Атомно ядро
Енергия на свързване на нуклеона в ядрото за различни изотопи
Всички протони и неутрони в атома образуват компактно атомно ядро, в което е 
съсредоточена 99% от масата на атома, и се наричат нуклеони. Радиусът на дадено ядро 
е приблизително равен на , където с A е означен общият брой нуклеони. Тази стойност 
е много по-малка от радиуса на атома, който е от порядъка на 105 fm. Нуклеоните са 
свързани с помежду си с ядрени сили, които действат само на късо разстояние. При 
разстояния, по-малки от 2,5 fm, те са по-големи от електростатичната сила, която кара 
положително заредените протони да се отблъскват един от друг.
Атомите на един и същ химичен елемент имат винаги еднакъв брой протони, наречен 
атомен номер. За даден елемент броят на неутроните може да варира, като различният 
брой определя различни изотопи на елемента. Общият брой на протоните и неутроните 
определя нуклида на атома. Отношението на броя на неутроните към броя на протоните 
определя стабилността на ядрото — изотопите с повече неутрони са по-неустойчиви, 
като някои от тях могат да претърпяват радиоактивен разпад.
Неутронът и протонът са различни видове фермиони. Принципът на Паули е ефект на 
квантовата механика, който не позволява еднакви фермиони, например няколко 
протона, да имат едно и също квантово физично състояние по едно и също време. Така 
всеки протон или неутрон в ядрото трябва да има различно квантово състояние с 
различно енергийно ниво от всеки друг протон или неутрон, но е възможно протон и 
неутрон да имат еднакво квантово състояние.