Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów.
Liczba protonów w jądrze określa jego liczbę atomową $Z$ . Liczba neutronów w jądrze określa liczbę neutronową $N$ . Całkowita liczba nukleonów w jądrze to liczba masowa $A$ .
Jądra atomowe o tej samej liczbie atomowej $Z$ , ale o różnych liczbach neutronowych $N$ , to izotopy tego samego pierwiastka.
Masa molowa pierwiastka jest zdefiniowana jako średnia ważona mas molowych jego izotopów.

Defekt masy jądra jest różnicą między sumą mas wszystkich tworzących jądro nukleonów a masą jądra.
Energia wiązania ( $E_{\text{w}}$ ) jądra jest równa ilości energii uwalnianej przy tworzeniu jądra, czyli wartości defektu masy pomnożonej przez prędkość światła podniesioną do kwadratu.
Wykres energii wiązania na nukleon ( $\mathrm{EWN}$ ) w zależności od liczby atomowej $A$ wskazuje, że przy podziale lub łączeniu jąder wyzwalana jest ogromna ilość energii.
Energia wiązania nukleonu w jądrze jest wielkością analogiczną do energii jonizacji atomu.

W rozpadzie substancji promieniotwórczej, jeśli stała rozpadu $\lambda$ jest duża, to okres połowicznego rozpadu jest krótki (i na odwrót).
Prawo rozpadu promieniotwórczego $N = N_0 e^{-\lambda t}$ pozwala wykorzystać właściwości substancji promieniotwórczych do szacowania wieku substancji.
Radioaktywny węgiel ma te same własności chemiczne co stabilny izotop węgla, więc włącza się w ekosferę i ostatecznie staje się częścią każdego żywego organizmu. Porównując zawartość ¹⁴C w przedmiocie z normalną zawartością w żywej tkance, możemy określić wiek przedmiotu.

Wyróżnia się trzy rodzaje promieniowania jądrowego: alfa (α), beta (β) i gamma (γ).
Rozpad α reprezentujemy symbolicznie poprzez zapis $\tensor*[_Z^A]{\mathrm{X}}{} \to \tensor*[_Z-2^A-4]{\mathrm{Y}}{} + \tensor*[_2^4]{\mathrm{He}}{}$ . Istnieją dwa rodzaje rozpadu β: jądro emituje elektron (β^–) lub pozyton (β⁺) (do rozpadów β należy też proces wychwytu elektronu, w którym jądro pochłania elektron). Rozpad γ jest reprezentowany symbolicznie równaniem $_{Z}^{A} X^{*} \to_{Z}^{A} X + γ$ .
Gdy ciężkie jądro rozpada się, tworząc jądro lżejsze, jądro potomne może stać się jądrem pierwotnym w kolejnym procesie rozpadu itd.; w ten sposób powstaje szereg promieniotwórczy.

Rozszczepienie jest procesem, w którym suma mas powstałych jąder atomowych jest mniejsza niż łączna masa substratów reakcji.
Bilans energetyczny reakcji rozszczepienia można zrozumieć na podstawie wykresu energii wiązania na nukleon.
Produkcja izotopów rozszczepialnych przez przemianę jądrową nazywa się powielaniem (ang. breeding), a reaktory przeznaczone do tego celu są nazywane reaktorami powielającymi.

Synteza (fuzja) jądrowa jest reakcją, w której dwa jądra łączą się i tworzą większe jądro; w czasie fuzji dwóch lekkich jąder i tworzenia jądra o średniej masie uwalniania jest energia.
Ilość energii wytwarzaną w reakcji syntezy jądrowej oznaczamy symbolem $Q$ .
Syntezą jądrową jest m.in. reakcja pomiędzy jądrami deuteru i trytu, zachodząca w bombie wodorowej. Synteza jądrowa wyjaśnia również produkcję energii we wnętrzu Słońca, proces nukleosyntezy i powstawanie ciężkich pierwiastków.

Techniki jądrowe są używane w medycynie do umiejscawiania i badania chorych tkanek za pomocą specjalnych leków nazywanych radiofarmaceutykami. Znaczniki radioaktywne są używane do identyfikacji komórek nowotworowych w kościach, guzów mózgu i choroby Alzheimera oraz do monitorowania funkcji narządów ciała, takich jak przepływ krwi, czynność mięśnia sercowego i wychwyt jodu w tarczycy.
Skutki biologiczne promieniowania jonizującego wynikają z dwóch mechanizmów oddziaływania na komórki: zaburzenia rozmnażania komórek i niszczenia funkcji komórki.
Typowe źródła promieniowania oddziałującego na ludzi obejmują: emisję przez Ziemię, w której promieniują izotopy uranu, toru i potasu; naturalne promieniowanie kosmiczne, promieniowanie gleby, materiałów budowlanych oraz sztuczne źródła używane w medycznych i stomatologicznych badaniach diagnostycznych.
Biologiczne skutki promieniowania jądrowego wyrażane są za pomocą wielu różnych wielkości fizycznych i wielu różnych jednostek.