Các nguyên tố có thể có nhiều hơn một dạng nguyên tử. Các đồng vị của cùng một nguyên tố đều có cùng một số proton xác định nhưng khác nhau về số neutron trong nhân nguyên tử.
Trong tự nhiên nhiều nguyên tố tồn tại ở nhiều dạng đồng vị. Các đồng vị của Hydro ở Hình 2.4 có các tên riêng, nhưng đồng vị của hầu hết các nguyên tố không có tên riêng. Ví dụ đồng vị trong tự nhiên của Carbon là 12C, 13Cvà 14C(được đề cập dưới tên gọi Carbon 12, Carbon 13 và Carbon 14). Hầu hết nguyên tử Carbon đều là 12C, khoảng 1,1% là 13C và chỉ một phần rất nhỏ là 14C. Một khối lượng nguyên tử của một nguyên tố, tức trọng lượng nguyên tử * là trung bình số khối của một mẫu đại diện các nguyên tử của nguyên tố đó, với tất cả các đồng vị theo tỉ lệ của chúng thường gặp. Do đó trọng lượng nguyên tử của Carbon được tính là 12,011.
Một số đồng vị, gọi là đồng vị phóng xạ, không bền và tự phát ra năng lượng dưới dạng các phóng xạ α (alpha), β (beta) hay γ (gamma) từ nhân nguyên tử. Sự phân rã phóng xạ như vậy biến nguyên tử ban đầu thành một nguyên tử khác, thường là một nguyên tố khác. Ví vụ carbon-14 mất một hạt β (thật ra là một electron) để tạo nên 14N. Các nhà Sinh vật và Vật lý có thể kết hợp các đồng vị phóng xạ vào các nguyên tử và sử dụng phóng xạ phát ra như một dấu hiệu để xác định vị trí của những phân tử này hoặc xác định những thay đổi mà phân tử này đang trải qua trong cơ thể (Hình 2.5). Ba đồng vị phóng xạ được sử dụng phổ biến theo cách này là 1H (tritium), 14C (carbon-14) và 32P (phốtpho 32). Ngoài những ứng dụng này các đồng vị phóng xạ còn được sử dụng để định tuổi các hóa thạch (xem chương 22).
Mặc dù đồng vị phóng xạ có ích cho các thí nghiệm và trong Y học, chỉ một liều thấp phóng xạ của chúng có khả năng hủy hoại tế bào và các phân tử. Chúng ta biết rất rõ các
tác dụng tàn phá của các vũ khí hạt nhân cũng như những lo ngại về sự hủy hoại các sinh vật từ các đồng vị sử dụng trong nhà máy điện hạt nhân. Trong Y học, phóng xạ γ từ 60Co (Cobalt 60) được sử dụng để phá hủy hoặc giết các tế bào ung thư.
Trong khi bàn về các đồng vị và tính phóng xạ, chúng ta đã tập trung vào hạt nhân nguyên tử, nhưng nhân không đóng vai trò trực tiếp trong khả năng kết hợp của nguyên tử với các nguyên tử khác. Khả năng này được quyết định bởi số lượng và sự phân bố của các electron. Trong các phần tiếp theo chúng ta sẽ mô tả một ố tính chất và cách thức hoạt động hóa học của electrons.