Ядра атомов могут быть устойчивыми во времени (стабильными) и неустойчивыми, радиоактивными. Атомы с радиоактивными ядрами – это радионуклиды. При радиоактивных превращениях испускаются α-частицы (ядра ⁴Не) и β-частицы (электроны); часто также испускаются γ-кванты (порции электромагнитного излучения, более жесткого, чем ультрафиолетовое и рентгеновское). У γ-квантов нет массы покоя.

Радиоактивные превращения приводят к тому, что из одних ядер образуются новые ядра, ядра новых элементов. При испускании α-частиц (ядер ⁴Не) заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число – на 4 единицы, например:

²²⁶₈₈Ra = ²²²₈₆Rn + ⁴Не

Из ядер радия-226 образовались ядра радона-222.

Испускание ядром β-частиц (электронов) объясняется тем, что в некоторых ядрах нейтрон способен самопроизвольно превратиться в протон:

n → p + e + ν   или          n → p + β^— + ν

Кроме протона и электрона, радиоактивное ядро испускает также нейтрино ν  (точнее говоря, антинейтрино). У нейтрино (антинейтрино) нет заряда и если и есть масса покоя, то она очень маленькая.

При испускании γ-квантов ни заряд, ни массовое число ядра не изменяются, происходит уменьшение внутренней энергии ядра.

Устойчивость радиоактивных ядер характеризуют через период полураспада T_½ . Период полураспада – это время, за которое число радиоактивных атомов уменьшается в 2 раза. Значения T_½  для разных радионуклидов изменяются от 10^-12 – 10^-10 с до 10¹⁴-10¹⁵ лет. Так, значение T_½  природного радионуклида ²³²Th равно 1,41.10¹⁰ лет, а природного радионуклида ²³⁸U –  4,5.10⁹ лет.

Физики смогли осуществить превращения ядер друг в друга (ядерные превращения). Так, обстреливая (облучая) мишень из плутония-242 ядрами неона-22, разогнанными на специальном приборе – ускорителе, удается получить ядра элемента №104 –  резерфордия  Rf :

²⁴²₉₄Pu + ²²₁₀Ne = ²⁵⁹₁₀₄Rf + 5n

Приведенная запись – пример ядерной реакции. В ядерной реакции сумма массовых чисел ядер слева равна сумме массовых чисел справа (242 + 22 = 259 + 5) и сумма положительных зарядов слева (94+10) равна суммарному заряду справа (104). С помощью ядерных реакций искусственно получены элементы с атомными номерами 93-118.