За визначенням, будь-які два атоми з одним і тим же числом протонів в їх ядрах відносяться до одного хімічному елементу. Атоми з одним і тим же кількістю протонів, але різною кількістю нейтронів називають ізотопами даного елемента. Наприклад, атоми водню завжди містять один протон, але існують ізотопи без нейтронів (водень-1, іноді також званий протием - найбільш поширена форма), з одним нейтроном (дейтерій) і двома нейтронами (тритій). Відомі елементи складають безперервний натуральний ряд по числу протонів в ядрі, починаючи з атома водню з одним протоном і закінчуючи атомом унуноктій, в ядрі якого 118 протонів. Всі ізотопи елементів періодичної системи, починаючи з номера 83 (вісмут), радіоактивні.