Если мы зафиксируем числа A, Z и не будем принимать во внимание внутреннюю структуру атомного ядра, то получим определённую разновидность атомов, то есть определённый нуклид. Не следует путать понятия «нуклид» и «нуклон»: оба слова произошли от латинского «nucleus» — «ядро», но нуклон — это частица в составе ядра, а нуклид — это вид атомов с заданным составом ядер (Z протонов, N нейтронов).

Химическая природа атома задаётся электронным облаком, а его состав зависит только от заряда ядра, то есть от числа Z. Поэтому все атомы одной химической природы имеют одинаковый заряд ядра. Следовательно, химический элемент — это совокупность атомов с заданным значением заряда ядра Z. Именно поэтому число Z было названо атомным номером, так как в таблице Менделеева элементы упорядочены по возрастанию Z.

Если нуклиды отличаются массовым числом A, но имеют один и тот же атомный номер Z, то они имеют одинаковую химическую природу, принадлежат одному и тому же элементу и являются изотопами этого элемента. Чтобы обозначить конкретный изотоп, к химическому символу элемента приписывают слева вверху число A, например:

Как видно из таблицы, природный водород существует в виде трёх изотопов, причём для дейтерия и трития есть даже собственные химические символы.

Но не всякий набор протонов и нейтронов может дать устойчивое атомное ядро. Бывает, что ядро способно самопроизвольно распадаться, превращаясь в другое ядро. Такое явление называется радиоактивностью, а процесс распада обычно сопровождается излучением — радиацией.

Уравнения радиоактивного распада записываются подобно уравнениям химических реакций. Например, атом трития распадается на ион гелия-3, электрон и особую частицу, которая называется электронное антинейтрино:

Однако следует помнить, что радиоактивный распад не является химическим процессом, поскольку при нём происходят взаимные превращения атомных ядер.

Большинство радионуклидов в природе не встречается и получено искусственно. Их устойчивость обычно характеризуется периодом полураспада t_1/2 — интервалом времени, в течение которого вероятность распада ядра достигает 50%. Период полураспада может составлять от триллионных долей секунды до многих триллионов лет.

На данном рисунке приведена диаграмма нуклидов, где в координатах (Z, N) отображены известные нуклиды; цвет квадратика зависит от устойчивости нуклида в соответствии со шкалой периодов полураспада справа. Каждый столбик этой диаграммы соответствует определённому значению Z и представляет набор изотопов одного химического элемента.

Интересно знать! Узкая цепочка наиболее стабильных нуклидов соответствует оптимальному соотношению нейтронов и протонов в ядре. Для заданного массового числа оно может быть выражено формулой

Для небольших значений массового числа A соотношение N/Z получается близким к единице, поэтому среди первых элементов распространены изотопы, у которых N = Z. Однако затем нейтронов становится больше, и, например, у стабильных изотопов свинца их число превышает число протонов примерно в полтора раза.

Изотопы одного химического элемента имеют одинаковые химические свойства, поэтому их невозможно отличить химическим путём. В природе очень редки процессы, затрагивающие атомные ядра, и разные изотопы одного и того же элемента ведут себя одинаково в природных условиях, образуют одни и те же соединения и таким образом перемешиваются друг с другом. В результате соотношение изотопов практически не зависит от месторождения, из которого получен элемент, и оказывается примерно одинаковым по всей планете. Это соотношение изотопов называется природным изотопным составом данного элемента.

Атомы разных изотопов имеют разные массы, но постоянство изотопного состава приводит к тому, что усреднённое значение массы атома данного элемента также постоянно. Именно это усреднённое по природным изотопам значение, выраженное в атомных единицах массы (а.е.м.), есть относительная атомная масса A_r данного элемента. В таблице Менделеева относительные атомные массы приведены для элементов, получаемых из природных источников.

Число Авогадро (6,02·10²³) атомных единиц массы в точности равно одному грамму, поэтому если масса какой-либо частицы в среднем равна A_r атомных единиц, то масса одного моля таких частиц составит A_r грамм. Например, m(1 моль атомов Cl) = 35,5 г.

Масса конкретного атома, выраженная в а.е.м., очень близка к его массовому числу A, так как масса одного нуклона примерно равна 1 а.е.м., а всего в атоме A нуклонов. Поэтому если в природе преобладает какой-то один изотоп данного элемента, то величина A_r этого элемента будет близка к массовому числу преобладающего изотопа. Именно поэтому относительные атомные массы многих элементов близки к целым числам. Однако не следует путать величины A и A_r: число A характеризует конкретный нуклид и указывает, сколько нуклонов в его ядре, а число A_r характеризует совокупность природных изотопов химического элемента и указывает усреднённое значение массы атома данного элемента в а.е.м.

Интересно знать! Точность величины A_r зависит от постоянства изотопного состава элемента. Натрий в природе представлен одним изотопом, поэтому никакой разбежки быть не может и A_r(Na) = 22,98976928 (все восемь знаков после запятой верны). Олово же представлено десятью изотопами; содержание каждого из них может варьироваться, поэтому A_r(Sn) = 118,710. Изотопы свинца постоянно образуются при радиоактивном распаде тяжёлых элементов, поэтому A_r(Pb) = 207,2. Для искусственно получаемых элементов величина A_r не имеет смысла, и в таких случаях вместо неё указывают в квадратных скобках массовое число самого долгоживущего из известных изотопов.