核素的稳定性主要是由原子核内的质子数与中子数之间的比例决定的。较小的稳定核素，质子数与中子数基本相等；较大的稳定核素，中子数要比质子数稍微多一些。一般而言，对于轻核（例如 Z<20 的核素），N 与 Z 的比值接近 1 的核素；对于中等原子序数的核素，N 与 Z 的比值在 1.4 左右或略大一点的核素；对于重核（例如 Z 接近 90 或以上的核素），N 与 Z 的比值在 1.6 左右或略大一点的核素，是稳定的。而 N 与 Z 的比值大大偏离这些范围的核素，一般是不稳定的。

不稳定核素会自发地发生某些变化，经常使原子核具有过剩的能量，它们往往以γ射线的形式释放出来。γ是能量较高的光子，既无质量又不带电。不稳定的原子核通过发射粒子或射线变成其他的原子核的过程称为衰变。不稳定核素自发地发生衰变，其原子核在变化的同时发射出特有的射线，成为稳定性核素，这种性质就是常说的放射性。原子核自发地发生衰变并发射粒子或射线的核素称为放射性核素。

如果原子核中的中子过多，它就会把多余的中子转变成质子，发射一个带负电荷的称为β粒子的电子，从而使它的结构比较稳定，这个过程被称为β衰变。如果原子核中的质子过多，它就会以不同于β衰变的另一种方式把多余的质子转变成中子，即此类质子通过发射带正电荷的电子（称作正电子）失去正电荷。

根据原子核的稳定性，可以把核素分为稳定的和不稳定的核素。