Nguyên tử bền vì hạt nhân cân bằng không chứa năng lượng dư thừa. Nếu lực giữa các proton và nơtron trong hạt nhân không cân bằng thì nguyên tử đó không ổn định. Các nguyên tử ổn định giữ nguyên dạng của chúng vô thời hạn, trong khi các nguyên tử không ổn định trải qua quá trình phân rã phóng xạ. Hầu hết các nguyên tử trong tự nhiên đều ổn định và không bị phân rã.
Hạt nhân của một nguyên tử được tạo thành từ các proton và neutron. Các lực bên trong hạt nhân của một nguyên tử ổn định được cân bằng vì hạt nhân chứa số proton và neutron thích hợp. Về mặt lý thuyết, những nguyên tử này có khả năng chống lại tất cả các dạng phân rã ngoại trừ phân rã proton, một dạng phân rã giả định chưa từng được quan sát thấy trong phòng thí nghiệm hoặc trong tự nhiên.
Nguyên tử không bền có tính phóng xạ và phân rã sau một khoảng thời gian nhất định. Các nguyên tử không ổn định khác nhau phân rã thông qua các quá trình khác nhau, chẳng hạn như sự phóng ra của một proton hoặc một neutron; sự chuyển đổi một proton thành một neutron hoặc một neutron thành một proton; và sự phát xạ năng lượng dư thừa dưới dạng photon. Trong nhiều trường hợp, nguyên tử tạo thành vẫn không ổn định. Sau đó nguyên tử này lại phân rã thành nguyên tử mới. Quá trình này tiếp tục theo chuỗi phân rã cho đến khi đạt được dạng ổn định.
