Les isotopes radioactifs sont instables car l'ajout de neutrons supplémentaires surmonte l'énergie de liaison qui maintient normalement le noyau ensemble. L'isotope libère de l'énergie sous forme de rayonnement pour stabiliser le noyau.
Les isotopes d'un élément ont le même nombre de protons, mais varient en nombre de neutrons dans le noyau. Les protons du noyau ont des charges positives et se repoussent naturellement ; cependant, dans les atomes stables, l'énergie de liaison est supérieure aux forces de répulsion, et l'atome reste stable.
Les atomes stables ont généralement le même nombre de protons et de neutrons. Certains hébergent un à deux neutrons supplémentaires dans le noyau et restent stables. Cependant, une fois que les forces de répulsion atteignent le point critique, l'atome devient instable. Pour rétablir l'équilibre dans le noyau, l'atome libère un neutron.
Tous les éléments dont le numéro atomique est supérieur à 83 sont des radio-isotopes et ont des noyaux radioactifs instables. Les éléments avec des numéros atomiques de 83 ou moins ont au moins un isotope stable et un isotope instable. Bien qu'il existe plus de 1 000 radio-isotopes, seuls 50 existent dans la nature. Lorsque l'isotope perd un neutron, il devient souvent un isotope plus stable du même élément. Cependant, certains isotopes passent par le processus de transmutation pour devenir un nouvel élément.
