Đồng vị phóng xạ không ổn định vì sự bổ sung thêm neutron sẽ vượt qua năng lượng liên kết thường giữ các hạt nhân với nhau. Đồng vị giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ để ổn định hạt nhân.
Các đồng vị của một nguyên tố có cùng số proton, nhưng khác nhau về số nơtron trong hạt nhân. Các proton trong hạt nhân mang điện tích dương và đẩy nhau một cách tự nhiên; tuy nhiên, trong các nguyên tử ổn định, năng lượng liên kết lớn hơn lực đẩy và nguyên tử vẫn ổn định.
Các nguyên tử ổn định thường có cùng số proton và neutron. Một số chứa thêm một đến hai neutron trong hạt nhân và vẫn ổn định. Tuy nhiên, một khi lực đẩy đến điểm tới hạn, nguyên tử sẽ trở nên không ổn định. Để khôi phục sự cân bằng trong hạt nhân, nguyên tử giải phóng một nơtron.
Tất cả các nguyên tố có số hiệu nguyên tử lớn hơn 83 đều là đồng vị phóng xạ và có hạt nhân phóng xạ, không bền. Các nguyên tố có số hiệu nguyên tử từ 83 trở xuống có ít nhất một đồng vị bền và một đồng vị không bền. Trong khi có hơn 1.000 đồng vị phóng xạ, chỉ có 50 đồng vị tồn tại trong tự nhiên. Khi đồng vị mất đi một nơtron, nó thường trở thành một đồng vị bền hơn của cùng một nguyên tố. Tuy nhiên, một số đồng vị trải qua quá trình biến đổi để trở thành một nguyên tố mới.
