عادة يكون عدد البروتونات مساويًا لعدد النيوترونات في نواة ذرة العنصر. لكن يمكن أن يُوجد العنصر في الطبيعة بنفس العدد الذري (نفس عدد البروتونات والإلكترونات) ولكن بعدد كتلة مختلف، بسبب وجود نيوترونات تزيد عن عدد البروتونات في النواة. مثل هذه العناصر التي تزيد فيها عدد النيوترونات عن عدد البروتونات مع بقاء العدد الذري نفسه تُسمَّى بالنظائر كمثال عنصر الكاربون C يُوجد في الطبيعة بثلاثة نظائر؛ 12-C حيث يكون عدد النيوترونات مساويًا لعدد البروتونات = 6. يُشكّل هذا النظير 99% من الكاربون في الطبيعة النظير 13-C يحتوي على 7 نيوترونات، والنظير الأكثر ندرة هو 14-C يحتوي على 8 نيوترونات. بعض النظائر مثل 14-C تنحو إلى التحلُّل باتجاه تكوين نظير ذي عدد كتلة أقل. في هذه الحالة ستترافق العملية بإطلاق كميات من الطاقة بهيئة إشعاع، ومثل هذه النظائر تُسمَّى بالنظائر المشعة. إن معدل التحلُّل لكل عنصر يكون ثابتًا، وعادةً يقدَّر بعمره النصفي. تُستخدم النظائر المشعة في تقدير عمر المواد المتواجدة فيها، وفي علاج الأورام بقتل الخلايا السرطانية كما أن لها استخدامات في التجارب البيولوجية لمتابعة دور أو أثر عنصر أو مركب معين عن طريق استخدام ذرة عنصر مشع في المركَّب تحت الدراسة والكشف عنه.