הגרעין מורכב מפרוטונים ונויטרונים. חלקיקים אלה, בעלי מסות כמעט זהות, הם הקובעים את מסת האטום. הפרוטונים הם נושאי המטען החיובי של הגרעין. מטענם שווה בדיוק בגודל והפוך בסימן למטען האלקטרון. הנויטרונים הם חסרי מטען חשמלי. מספר הפרוטונים הוא הקובע את סוג הגרעין, כלומר: את סוג האטום. מספר הפרוטונים נקרא המספר האטומי ומסומן באות Z .
למרות שלגבי יסוד מסוים מספר הפרוטונים (ולכן גם מספר האלקטרונים באטום ניטרלי) קבוע, הרי מספר הנויטרונים יכול להשתנות. הגרעינים השונים של אותו היסוד הנבדלים זה מזה במספר הנויטרונים, ולכן גם במסה, נקראים איזוטופים של היסוד. לא כל האפשרויות של נויטרונים ופרוטונים יוצרים גרעינים יציבים. ככל שהגרעין כבד יותר דרושים יותר ויותר נויטרונים כדי לשמור על יציבותו.
כאשר גרעין לא יציב, הוא יעבור שינוי שישנה את הרכבו, כך שהוא יגיע לרמת אנרגיה נמוכה יותר ויציבה יותר. בתהליך זה נפלטת קרינה ותופעה זו קיבלה את השם רדיואקטיביות. רדיואקטיביות מלווה במעבר ספונטאני (ללא עזרה מבחוץ) מגרעין מסוג אחד לגרעין מסוג אחר, תוך כדי פליטת קרינה. אולם קיימים תהליכים רדיואקטיביים שדורשים אנרגיה התחלתית מבחוץ כדי להתרחש.
זמן מחצית חיים
תהליכים רדיואקטיביים הם תהליכים הסתברותיים. אין אפשרות לנבא לגבי גרעין מסוים מתי יתפרק, כל שניתן הוא לדבר על ההסתברות להתפרקות. חומר מכיל אטומים רבים ולכן ניתן לדבר על קצב התפרקות האטומים בחומר, ללא התייחסות לאטום מסוים.
קצב ההתפרקות הוא קבוע ואינו תלוי בכמות החומר, כלומר: אחוז קבוע מן האטומים הרדיואקטיביים מתפרק בכל שנייה. האחוז המתפרק תלוי בסוג החומר בלבד.
זמן מחצית חיים – הזמן עד להתפרקות מחצית מכמות החומר הרדיואקטיבי.
השימוש בזמן מחצית חיים
ניתן להשתמש בזמן מחצית החיים של חומרים רדיואקטיביים כדי לקבוע גיל של חומרים. יש בטבע גרעינים רדיואקטיביים רבים, הנמצאים בתוך אותם חומרים שאת גילם אנחנו רוצים לקבוע ומכיוון שקצב התפרקות החומרים הרדיואקטיביים לא תלוי בסביבה, היחס בין החומר הרדיואקטיבי והתוצר שלו תלוי בגיל החומר. ככל שהיחס גדול יותר לטובת התוצר, כך החומר ישן יותר.