Un átomo está constituido de un pequeño núcleo rodeado de electrones y la mayor parte de la masa está contenida en el núcleo que está a su vez constituido por protones y neutrones de masa similar y 1836 veces más masivos que los electrones. El neutrón no tiene carga y el protón una unidad de carga positiva. Los electrones que rodean al núcleo tienen carga negativa y cuando hay el mismo número de protones que de electrones estas se equilibran y tenemos un átomo neutro, denominado por el número romano I, por ejemplo HI (hidrógeno neutro), HeI (helio neutro), etc. Cuándo un átomo pierde un electrón se queda con una unidad de carga positiva y es ahora un ión, que se denomina por el número romano II, por ejemplo HeII (helio una vez ionizado). Sí el átomo pierde dos electrones, se encuentra dos veces ionizado, en el estado III y así sucesivamente. Sí pierde todos sus electrones orbitales tenemos un núcleo y el número de protones determina la carga del núcleo. Cada elemento químico se define por el número de protones de su núcleo. El elemento que contiene un protón es el hidrógeno, con dos protones se encuentra el helio, con tres el litio, etc.

El número de neutrones en un núcleo no es fijo para cada elemento, es siempre entre 1 y 2 veces el número de protones. Las formas diferentes posibles de un mismo elemento, con el mismo número de protones pero distinto número de neutrones, reciben el nombre de isótopos. Por ejemplo, el núcleo del hidrógeno contiene un protón y no tiene neutrones, un isótopo del hidrógeno, llamado deuterio, contiene un protón y un neutrón y el otro isótopo llamado tritio contiene un protón y dos neutrones. La mayoría de los isótopos no tienen nombres específicos y se utilizan subíndices y superíndices para distinguirlos. El número de protones, llamado número atómico, se escribe como subíndice y como superíndice el número total de protones más neutrones, llamado peso atómico, masa atómica o número másico. Por ejemplo ₁ H ² es el deuterio que contiene un protón y de masa atómica un protón más un neutrón, es decir, 2. Similarmente ₉₂ U ²³⁸ es un isótopo de uranio que contiene 92 protones y con masa atómica 238, luego el número de neutrones es 238 - 92 = 146. Algunos isótopos no son estables , y después de un cierto tiempo espontáneamente se transforman en otro isótopo o elemento, se dice que tales isótopos son radioactivos.

Mientras que un protón es una partícula estable, esté dentro o fuera de un núcleo, un neutrón es estable sólo cuando forma parte de un núcleo. Sí tenemos muchos neutrones libres (fuera de un núcleo) juntos, después de 12 minutos la mitad de ellos habrán cambiado o desintegrado, en 1 protón, más 1 electrón (más 1 neutrino). Se dice que la vida media de un neutrón libre es de 12 minutos, indicando que es el tiempo medio en que la desintegración ocurre, aunque cualquier neutrón puede desintegrarse en un tiempo más corto o más largo de 12 minutos. Como el neutrón no es un núcleo no le llamamos radioactivo, sino partícula inestable.

En algunas desintegraciones radioactivas se emite una partícula llamada neutrino, es neutra y viaja a la velocidad de la luz, como el fotón, por lo tanto no tiene masa en reposo, ya que según la teoría de la relatividad de Einstein la masa se aproxima al infinito cuando la velocidad se acerca a la de la luz. Otra propiedad muy importante de los neutrinos es que apenas interaccionan con la materia, es decir, la materia es transparente al paso de los neutrinos. Así cuando se forman neutrinos en el interior de las estrellas por medio de las reacciones nucleares, estos pueden escapar y de esta forma se pueden detectar los neutrinos producidos en el interior del Sol, aunque su propiedad de no interacción con la materia hace difícil el experimento.