Khối xây dựng cơ bản của mọi vật chất chính là nguyên tử. Các nguyên tử tạo thành các nguyên tố như oxy, hydro và carbon. Một nguyên tử bao gồm các proton và neutron, tạo nên hạt nhân và các electron quay quanh hạt nhân. Hạt nhân mang điện tích dương do proton mang điện tích dương nhưng neutron không mang điện tích. Các electron mang điện tích âm di chuyển xung quanh hạt nhân trong các đám mây [hoặc vỏ nguyên tử]. Các electron âm bị hút vào hạt nhân dương bằng một lực điện. Đây là cách nguyên tử được tạo thành.
Số hiệu nguyên tử để phân biệt từng nguyên tố là số lượng proton trong hạt nhân. Số proton có giá trị duy nhất cho mỗi nguyên tố, ví dụ như: có 06 proton trong carbon; do đó, số hiệu nguyên tử của carbon là 6 trong bảng tuần hoàn. Nguyên tử ổn định khi số lượng nơtron và proton trong hạt nhân cân bằng. Khi có sự mất cân bằng đáng kể giữa số lượng neutron và proton trong hạt nhân, nguyên tử trở nên không ổn định. Để đạt được trạng thái ổn định, nguyên tử trải qua quá trình biến đổi hoặc phân rã phóng xạ. Các nguyên tử từ một hoặc nhiều nguyên tố kết hợp với nhau để tạo thành các hợp chất lớn hơn, được gọi là các phân tử, như một phân tử nước được hình thành từ hai nguyên tử hydro kết hợp với một nguyên tử oxy [H2O].
Hạt nhân là loại nguyên tử cụ thể được đặc trưng bởi số lượng proton và neutron trong hạt nhân, xấp xỉ khối lượng của hạt nhân. Con số đó đôi khi được đặt cùng với tên của hạt nhân được gọi là số khối [tổng số proton và neutron trong hạt nhân]. Ví dụ, carbon-12 là hạt nhân của carbon với 6 proton và 6 neutron.
Các hạt nhân của một nguyên tố có cùng số proton nhưng không cùng số nơtron được gọi là đồng vị của nguyên tố đó. Ví dụ: có 03 đồng vị [hoặc biến thể] của hydro: hydro-1 [01 proton và không có neutron], hydro-2 hay deuterium [01 proton và 01 neutron] và hydro-3 được gọi là tritium [01 proton và 02 nơtron]; urani-235 có 92 proton và 143 neutron và urani-238 có 92 proton và 146 neutron, cả urani-235 và urani-238 đều là đồng vị của urani.
Đồng vị bền sẽ không bị phân rã phóng xạ và phát ra bức xạ. Trạng thái này của đồng vị là khi có sự cân bằng giữa số lượng neutron và proton. Khi một đồng vị nhỏ và ổn định, nó chứa số lượng proton tương đương neutron. Các đồng vị lớn hơn và ổn định có nhiều neutron hơn so với proton. Ví dụ như đồng vị bền carbon-12 có 06 proton và 06 neutron, với tổng khối lượng là 12g. Khi có sự mất cân bằng giữa proton và neutron, thường là khi tỷ lệ neutron so với proton quá thấp, đồng vị sẽ tự biến đổi thành một dạng ổn định hơn – một nguyên tử khác. Khi điều này xảy ra, nguyên tử giảm khối lượng bằng cách phát ra các hạt alpha, hạt beta, positron hoặc tia gamma, nhưng một số cũng có thể đạt được sự ổn định thông qua phản ứng phân hạch tự phát hoặc bắt electron. Đó là quá trình tự phát được gọi là phân rã phóng xạ.
Có ba loại phân rã phóng xạ chính:
Phân rã alpha: xảy ra khi nguyên tử đẩy một hạt gồm 02 neutron và 02 proton ra khỏi hạt nhân, làm cho số nguyên tử giảm đi 02 và khối lượng giảm đi 04.
Phân rã beta: 01 neutron trở thành 01 proton và 01 electron được phát ra từ hạt nhân. Số nguyên tử tăng lên một, nhưng khối lượng chỉ giảm nhẹ.
Phân rã gamma: xảy ra khi có năng lượng dư trong hạt nhân sau phân rã alpha hoặc beta hoặc sau khi bắt giữ neutron trong lò phản ứng hạt nhân. Năng lượng còn lại được giải phóng dưới dạng photon của bức xạ gamma. Phân rã gamma thường không ảnh hưởng đến khối lượng và số hiệu nguyên tử của đồng vị phóng xạ.
Khi một đồng vị tự phân rã, năng lượng dư phát ra ở dạng bức xạ ion hóa. Nói cách khác, sự phân rã tạo ra bức xạ và đây được gọi là hoạt độ. Đồng vị biến đổi và phát ra bức xạ gọi là đồng vị phóng xạ. Mỗi sự phân rã được thể hiện hoặc đo bằng một đơn vị gọi là becquerel [Bq]. Một Bq bằng một lần phân rã mỗi giây.
Chu kỳ bán rã là thời gian cần thiết để một đồng vị phóng xạ phân rã thành một nửa hoạt độ ban đầu của nó. Ký hiệu là t½. Mỗi đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã riêng và có thể chỉ là một phần giây hoặc tới hàng tỷ năm. Sự phân rã là theo cấp số nhân. Ví dụ, iốt-131 mất 08 ngày để đạt được chu kỳ bán rã của nó, trong khi plutoni-239 mất 24.000 năm. Nếu biết được nguồn ban đầu của phóng xạ, thì có thể dự đoán được thời gian phân rã của nó. Tương tự, nếu biết chu kỳ bán rã, bạn có thể xác định đồng vị phóng xạ.
Nhiều đồng vị phóng xạ có trong tự nhiên. Chúng có nguồn gốc từ sự hình thành của hệ mặt trời và từ sự tương tác của các tia vũ trụ với các phân tử trong khí quyển như Triti được hình thành do sự tương tác của tia vũ trụ với các phân tử trong khí quyển. Một số đồng vị phóng xạ được hình thành khi hệ mặt trời được tạo ra có chu kỳ bán rã hàng tỷ năm và tiếp tục hiện diện trong môi trường sống hiện nay như Urani và thori. Đồng vị phóng xạ nhân tạo lại được sản xuất như một sản phẩm phụ của lò phản ứng hạt nhân và máy phát đồng vị phóng xạ, chẳng hạn như cyclotron. Hầu hết các đồng vị phóng xạ nhân tạo đều được sử dụng trong lĩnh vực y học hạt nhân và hóa sinh, trong công nghiệp sản xuất và nông nghiệp.