นิวเคลียสของอะตอมกัมมันตรังสี
เมื่อประมาณ ๒,๔๐๐ กว่าปี มีนักปรัชญาชาวกรีกชื่อว่า เดโมครีตุส (Democritus) ได้กล่าวว่า ทุกสิ่งทุกอย่างประกอบขึ้น จากอนุภาคที่เล็กมาก จนไม่สามารถมองเห็นได้ อนุภาคเล็กๆ เหล่านี้รวมตัวเข้าด้วยกัน โดยวิธีการหลากหลาย เพื่อก่อตัว เป็นสิ่งต่างๆ แต่สำหรับตัวอนุภาคเองนั้น ไม่มีการเปลี่ยนแปลงและไม่สามารถแบ่งแยกออกเป็นส่วนที่เล็กลงไปได้อีก เดโมครีตุสได้ตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่า "อะตอม" (Atom) มาจากภาษากรีกว่า Atomos ซึ่งมีความหมายว่า ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก
ความเห็นในเรื่องอะตอมของเดโมครีตุสนี้ ปรากฏว่า คนในสมัยนั้นส่วนใหญ่ไม่เชื่อว่ามีอยู่จริง และเห็นว่า อะตอม เป็นเพียงสิ่งที่เกิดขึ้นมาจากมโนภาพของเดโมครีตุสเท่านั้น เพราะไม่ได้มีการพิสูจน์ให้เห็นว่ามีอยู่จริงนั่นเอง อย่างไรก็ตาม เมื่อเวลาผ่านไปเป็นระยะเวลายาวนาน จนมาถึงยุคที่วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ก้าวหน้าขึ้น โดยผลจากการทดลอง การพิสูจน์ของปรากฏการณ์ต่างๆ ทำให้นักวิทยาศาสตร์ค่อยๆ หวนกลับไปหาความคิดของเดโมครีตุสที่ว่า อะตอมมีอยู่จริง แต่ไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด เพราะอะตอมยังประกอบขึ้นจากส่วนที่เล็กลงไปอีก
ปัจจุบันผลจากการศึกษาค้นคว้าวิจัยเรื่องของอะตอม ทำให้นักวิทยาศาสตร์สรุปว่า อะตอมมีส่วนประกอบอยู่ ๒ ส่วน คือ ส่วนที่อยู่ตรงกลางที่เรียกว่า นิวเคลียส (nucleus) และส่วนที่โคจรรอบๆ ซึ่งเป็นอนุภาคที่เรียกว่า อนุภาคอิเล็กตรอน (electron particles) หรือเรียกสั้นๆ ว่า อิเล็กตรอน
ภายในนิวเคลียสที่อยู่ตรงกลางจะมีอนุภาคหลายชนิดรวมตัวกันอยู่ แต่ที่สำคัญและกล่าวถึงเสมอมีอยู่ ๒ ชนิด คือ อนุภาคโปรตอน (proton particles) หรือเรียกสั้นๆ ว่า โปรตอน กับอนุภาคนิวตรอน (neutron particles) หรือเรียกสั้นๆ ว่า นิวตรอน ทั้งนี้ นิวเคลียสมีขนาดเล็กกว่าอะตอมมาก ซึ่งแสดงว่าระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสนั้น เป็นที่ว่างกว้างมาก
รูปแบบอะตอมแบบง่ายๆ ของธาตุแมกนีเซียม แสดงให้เห็นว่า
ในนิวเคลียสมีโปรตอน ๑๒ อนุภาค และนิวตรอน ๑๒ อนุภาค โดยมีอิเล็กตรอน ๑๒ อนุภาค โคจรรอบนิวเคลียส อิเล็กตรอนแต่ละอนุภาคที่โคจรรอบนิวเคลียสมีประจุไฟฟ้าลบ ๑ หน่วย
โปรตอนแต่ละอนุภาคที่อยู่ในนิวเคลียสมีประจุไฟฟ้าบวก ๑ หน่วย
นิวตรอนแต่ละอนุภาคที่อยู่ในนิวเคลียสไม่มีประจุไฟฟ้า หรือกล่าวอีกอย่างว่า มีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์
ในสภาพปกติ จำนวนอิเล็กตรอนที่มีประจุลบที่โคจรรอบนิวเคลียสจะเท่ากับจำนวนโปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียส ดังนั้น ในสภาพปกติอะตอมจะเป็นกลางทางไฟฟ้า
อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆ เรียกว่า เชลล์ (shell) โดยแต่ละชั้นยังแบ่งเป็นชั้นย่อยๆ อีก เรียกว่า ซับเชลล์ (sub shell) วงโคจรส่วนใหญ่จะเป็นวงรี และจะมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่ได้จำนวนไม่เกินค่าที่คำนวณได้จาก 2n2 เมื่อ n คือ ค่าชั้นที่เท่าไรที่นับจากนิวเคลียสออกไป
จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเป็นตัวบ่งชี้ว่า นิวเคลียสนั้นหรืออะตอมนั้นเป็นธาตุอะไร ซึ่งธาตุแต่ละธาตุ จะมีจำนวนโปรตอน ในนิวเคลียส เป็นของตนเอง เช่น ถ้านิวเคลียสมีโปรตอนอยู่ ๑ อนุภาค จะเป็น ธาตุไฮโดรเจน ถ้ามี ๙๒ อนุภาค จะเป็น ธาตุยูเรเนียม
จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสนั้น มีค่าต่างกันได้ แม้จะเป็นนิวเคลียสของธาตุเดียวกัน หรือกล่าวอีกแบบหนึ่งว่า แต่ละธาตุจะมีอะตอมหรือนิวเคลียสอยู่หลายชนิด โดยแต่ละชนิดในนิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน เพราะเป็นธาตุเดียวกัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน
การที่ธาตุแต่ละธาตุมีอะตอมหลายชนิดนี้ ในทางวิทยาศาสตร์ไม่ใช้คำว่ามีหลายชนิด แต่จะเรียกว่า มีหลายไอโซโทป (isotope)
ไอโซโทปของแต่ละธาตุจะมีสมบัติทางเคมีเหมือนกันทุกประการ แต่สมบัติทางฟิสิกส์ไม่เหมือนกัน เพราะมีจำนวนนิวตรอน ในนิวเคลียส ไม่เหมือนกัน และจากการที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันนี้ ทำให้สภาวะภายในนิวเคลียส ของไอโซโทปบางไอโซโทป อยู่ในสภาพที่ไม่เสถียร (unstable) จำต้องแผ่พลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของรังสี เพื่อให้ตนเองเสถียรในที่สุด เช่น ไอโซโทปของธาตุไฮโดรเจนที่เรียกว่า ทริเทียม (Tritium) จะแผ่รังสีบีตาออกมาจากนิวเคลียส ส่วนไอโซโทปที่เรียกว่า ไฮโดรเจน และดิวเทอเรียม ไม่มีการแผ่รังสีออกมา ไอโซโทปที่แผ่รังสี เรียกว่า ไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioactive isotope หรือ radioisotope) อะตอมที่แผ่รังสี ก็เรียกว่า อะตอมกัมมันตรังสี (radioactive atom) รังสีที่แผ่ออกจากอะตอมกัมมันตรังสีเป็นรังสี ที่แผ่ออกจากนิวเคลียสของอะตอมนั้นๆ
ธาตุไฮโดรเจนมี ๓ ไอโซโทป ในกรณีสิ่งที่กล่าวถึงเป็นชิ้น เป็นก้อน หรือเป็นอะไรที่มองเห็นจับต้องได้ แล้วมีรังสีแผ่ออกมา ก็เรียกว่า สารกัมมันตรังสี หรือวัสดุกัมมันตรังสี หรืออาจเรียกสั้นๆ ว่า สารรังสี หรือ วัสดุรังสี
การที่ธาตุแต่ละธาตุมีหลายไอโซโทป เมื่อจะกล่าวถึงไอโซโทปใดของธาตุใด ต้องมีวิธีการที่สามารถบ่งชี้ได้ว่า กำลังพูดถึงไอโซโทปอะไร ซึ่งได้กำหนดการเขียนไว้ดังนี้
จะเห็นว่า ถ้าเอาค่า Z ลบออกจากค่า A จะได้ค่าจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส
ตัวอย่าง ถ้ากล่าวถึงไอโซโทปของยูเรเนียมที่ในนิวเคลียสมีโปรตอน ๙๒ อนุภาค และมีนิวตรอน ๑๔๓ อนุภาค จะเขียนแทนด้วย
เนื่องจากการเขียนสัญลักษณ์แบบที่กล่าวนี้มีตัวเลขทั้งข้างบนและข้างล่าง ทำให้ยุ่งยากต่อการเขียน ในบางครั้ง เพื่อความรวดเร็ว จึงเขียนแบบสั้น เช่น ไอโซโทปของยูเรเนียมที่ยกเป็นตัวอย่างนั้น เขียนแบบสั้นว่า U-235 เพราะยูเรเนียมมีเลขเชิงอะตอมคงตัว เป็น ๙๒ เสมอ จึงละไว้เป็นที่เข้าใจ
สาเหตุที่ไอโซโทปกัมมันตรังสีแผ่รังสีออกมา เนื่องจากนิวเคลียสของไอโซโทปนั้นอยู่ในสภาพไม่เสถียร จึงต้องแผ่รังสีออกมา เพื่อให้ตนเองเสถียร ซึ่งผลจากการแผ่รังสีออกมานี้ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียส โดยนิวเคลียสนั้น จะกลายเป็นนิวเคลียส ของไอโซโทปของธาตุใหม่ทันที ไอโซโทปที่เกิดใหม่นี้จะมีการแผ่รังสีต่อไปอีก หรือไม่แผ่รังสีก็ได้ การที่ไอโซโทปหนึ่งแผ่รังสี แล้วกลายเป็นไอโซโทปใหม่ที่ไม่เหมือนเดิมนี้เรียกว่า เกิดการสลาย (decay)