El núcleo atómico está compuesto por protones y neutrones.
El número de protones en el núcleo viene dado por el número atómico, Z. El número de neutrones en el núcleo es el número de neutrones, N. El número de nucleones es el número de masa, A.
Los núcleos atómicos con el mismo número atómico Z, pero diferente número de neutrones N, son isótopos del mismo elemento.
La masa atómica de un elemento es el promedio ponderado de las masas de sus isótopos.

El defecto de masa de un núcleo es la diferencia entre la masa total de un núcleo y la suma de las masas de todos sus nucleones constituyentes.
La energía de enlace (BE) de un núcleo es igual a la cantidad de energía liberada en la formación del núcleo, o el defecto de masa multiplicado por la velocidad de la luz al cuadrado.
Un gráfico de la energía de enlace por nucleón (BEN) en función del número atómico A implica que los núcleos divididos o combinados liberan una enorme cantidad de energía.
La energía de enlace de un nucleón en un núcleo es parecida a la energía de ionización de un electrón en un átomo.

En el decaimiento de una sustancia radioactiva, si la constante de decaimiento ( $λ$ ) es grande, la vida media es pequeña, y viceversa.
La ley de decaimiento radioactivo, $N = N_{0} e^{− λ t},$ utiliza las propiedades de las sustancias radioactivas para estimar la edad de una sustancia.
El carbono radioactivo tiene la misma química que el carbono estable, por lo que se mezcla en la ecósfera y acaba formando parte de todo organismo vivo. Al comparar la abundancia de $^{14} C$ en un artefacto con la abundancia normal en el tejido vivo, es posible determinar la edad del artefacto.

Los tres tipos de radiación nuclear son rayos alfa ( $α$ ), rayos beta ( $β$ ), y los rayos gama ( $γ$ ).
Representamos el decaimiento $α$ simbólicamente por $_{Z}^{A} X \to_{Z - 2}^{A - 4} X +_{2}^{4} H e$ . Hay dos tipos de decaimiento $β$ : un electrón ( $β^{-}$ ) o un positrón ( $β^{+}$ ) es emitido por un núcleo. El decaimiento $γ$ se representa simbólicamente por $_{Z}^{A} X * \to_{Z}^{A} X + γ$ .
Cuando un núcleo pesado decae en uno más ligero, el núcleo hija más ligero puede convertirse en el núcleo padre para el siguiente decaimiento, y así sucesivamente, produciendo una serie de decaimiento.

La fisión nuclear es un proceso en el que la suma de las masas de los núcleos del producto es menor que las masas de los reactivos.
Los cambios de energía en una reacción de fisión nuclear pueden entenderse en términos de la curva de energía de enlace por nucleón.
La producción de isótopos nuevos o diferentes por transformación nuclear se denomina reproducción, y los reactores diseñados para este fin se llaman reactores reproductores.

La fusión nuclear es una reacción en la que dos núcleos se combinan para formar un núcleo mayor; se libera energía cuando los núcleos ligeros se fusionan para formar núcleos de masa media.
La cantidad de energía liberada por una reacción de fusión se conoce como valor Q.
La fusión nuclear explica la reacción entre el deuterio y el tritio que produce una bomba de fusión (o de hidrógeno); la fusión también explica la producción de energía en el Sol, el proceso de nucleosíntesis y la creación de los elementos pesados.

La tecnología nuclear se utiliza en medicina para localizar y estudiar los tejidos enfermos mediante fármacos especiales llamados radiofármacos. Los marcadores radioactivos se utilizan para identificar células cancerosas en los huesos, tumores cerebrales y la enfermedad de Alzheimer, y para controlar el funcionamiento de los órganos del cuerpo, como el flujo sanguíneo, la actividad del músculo cardíaco y la captación de yodo en la glándula tiroides.
Los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes se deben a dos efectos que tienen sobre las células: la interferencia con la reproducción celular y la destrucción de la función celular.
Las fuentes comunes de radiación incluyen la emitida por la Tierra debido a los isótopos de uranio, torio y potasio; la radiación natural de los rayos cósmicos, los suelos y los materiales de construcción, y las fuentes artificiales de las pruebas de diagnóstico médico y dental.
Los efectos biológicos de las radiaciones nucleares se expresan a través de muchas cantidades físicas diferentes y en muchas unidades distintas, incluida la unidad de rad o dosis de radiación.