เมื่อพิจารณาอนุกรมการสลายของธาตุกัมมันตรังสีจะพบว่ามีนิวเคลียสบางกลุ่ม ที่มีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีเลขมวลต่างกัน เช่น กลุ่มของยูเรเนียม ซึ่งประกอบด้วยยูเรเนียม -234 ยูเรเนียม -235 และยูเรเนียม -238 นิวเคลียสต่างๆ ในกลุ่มนี้มีเลขอะตอมเท่ากัน คือ 92 แต่มีเลขมวลต่างกัน นั่นคือ นิวเคลียสเหล่านี้มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนต่างกัน เราเรียกนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันนี้ว่า เป็น ไอโซโทป (isotopes) ของธาตุเดียวกัน

          ไอโซโทปของธาตุหนึ่งอาจมีทั้งที่ไม่เสถียรคือมีการสลายต่อไป ที่เรียกว่า ไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioisotopes) และที่ไม่มีการสลายต่อไปซึ่งเรียกว่า ไอโซโทปเสถียร (stable isotopes) เช่น ไอโซโทปของตะกั่วมี 5 ชนิด ซึ่งแบ่งออกเป็น ไอโซโทปกัมมันตรังสี 2 ชนิด คือ ตะกั่ว -210 และตะกั่ว -214 และไอโซโทปเสถียร 3 ชนิด คือ ตะกั่ว -206 ตะกั่ว -207 และตะกั่ว -208 สำหรับธาตุบางธาตุอาจมีไอโซโทปกัมมันตรังสีก็ได้

          ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถผลิตไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติ เพื่อใช้ในวัตถุประสงค์ต่าง ๆ เราเรียกไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติว่า ไอโซโทปประดิษฐ์ (artificial radioisotopes) ธาตุกัมมันตรังสีในตาราง 4.5 ล้วนเป็นไอโซโทปประดิษฐ์ทั้งสิ้น

          ไอโซโทปของไฮโดรเจน

          ไฮโดรเจนมีไอโซโทป 3 ชนิด ชนิดแรก คือไฮโดรเจนธรรมดา มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และไม่มีนิวตรอน ชนิดที่สอง มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และนิวตรอน 1 ตัว เรียกไอโซโทปนี้ว่า ดิวเทอเรียม (deuterium) และนิวเคลียสของดิวเทอเรียม เรียกว่า ดิวเทอเรียม (deuterium) ชนิดที่สาม มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และนิวตรอน 2 ตัว เรียกไอโซโทปนี้ว่า ทริเทียม (tritium) และนิวเคลียสของทริเทียม เรียกว่า ทริทอน (triton) ไอโซโทปสองตัวแรก เป็นไอโซโทปที่มีในธรรมชาติ ส่วนทริเทียมเป็นไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติ

เนื่องจากไอโซโทปของธาตุเดียวกันมีเลขอะตอมเท่ากันแต่เลขมวลต่างกัน จึงมีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่สมบัติทางกายภาพต่างกัน ดังนั้นการวิเคราะห์ไอโซโทปของธาตุชนิดหนึ่ง จึงไม่สามารถกระทำได้โดยอาศัยปฏิกิริยาเคมี แต่ด้วยเหตุที่ไอโซโทปเหล่านี้มีสมบัติทางกายภาพต่างกัน เช่น มีมวลต่างกัน การวิเคราะห์ไอโซโทปเหล่านี้ จึงทำได้โดยจำแนกมวล เพราะเหตุว่ามวลของไอโซโทปของธาตุชนิดเดียวกันจะแตกต่างกันน้อยมาก ดังนั้นการวิเคราะห์ ไอโซโทปจึงต้องใช้เครื่องมือ ที่วัดมวลได้ละเอียดมาก เครื่องมือประเภทนี้ได้แก่ แมสสเปกโทรมิเตอร์ (mass spectrometer) ดังจะได้ศึกษารายละเอียดในการใช้หามวลดังต่อไปนี้

           แมสสเปกโทรมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้จำแนกมวลอะตอมของธาตุต่างๆ โดยอาศัยหลักการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ส่วนประกอบที่สำคัญของแมสสเปกโทรมิเตอร์ได้แก่ ส่วนเร่งอนุภาค ส่วนคัดเลือกความเร็ว และส่วนวิเคราะห์ ดังรูป 4.18 ส่วนเร่งอนุภาคมีหน้าที่ทำให้ไอโซโทปที่อยู่ในสภาพแก๊สกลายเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า การเร่งอนุภาคนี้ให้มีความเร็วสูงขึ้นกระทำได้โดยใช้สนามไฟฟ้า

อนุภาคจะเคลื่อนที่ผ่านช่องเล็กและเข้าไปยังส่วนคัดเลือก ความเร็วซึ่งประกอบ ด้วยบริเวณที่มีทั้งสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก  ในทิศตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาค ดังรูป 4.19 ดังนั้นแรงที่กระทำต่ออนุภาคอันเนื่องจากสนามทั้งสองนี้ จะมีทิศทางตรงข้ามกัน

    ถ้าความเร็วของอนุภาคมีค่าที่ทำให้ขนาดของแรงอันเนื่องจากสนามทั้งสองมีค่าเท่ากัน จะเกิดสมดุลของแรง มีผลให้อนุภาคเคลื่อนที่ต่อไปโดยไม่เปลี่ยนแนวการเคลื่อนที่คือวิ่งตรงผ่านช่องเปิดได้ ส่วนอนุภาคที่ความเร็วต่างไปจากค่านี้จะมีแนวการเคลื่อนที่ต่างไป ทำให้ไม่สามารถผ่านช่องเปิดได้

           ถ้าเราให้อนุภาคซึ่งเคลื่อนที่จากส่วนเร่งอนุภาคเข้ามาในส่วนคัดเลือกความเร็ว (ซึ่งเป็นบริเวณที่มีสนามไฟฟ้า E และสนามแม่เหล็ก B ) มีอัตราเร็วเท่ากับ v และประจุไฟฟ้าของอนุภาคนั้นเป็น q จะได้ว่า

                                                                           qvB = qE
                                                                                        หรือ 

           จะเห็นได้ว่า อัตราเร็ว v หาได้จากอัตราส่วนของขนาดสนามไฟฟ้าและขนาดสนามแม่เหล็กในบริเวณส่วนคัดเลือกความเร็ว กลุ่มอนุภาคที่มีอัตราเร็วดังกล่าวนี้จะวิ่งเข้าสู่ส่วนวิเคราะห์ซึ่งมีสนามแม่เหล็ก B่ที่มีทิศตั้งฉากกับแนวการเคลื่อนที่ของอนุภาค แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กนี้ จะทำให้อนุภาคเคลื่อนที่ตามแนวโค้งรูปวงกลม ดังรูป 4.20

 ถ้าให้ R เป็นรัศมีความโค้งของวงกลม และ m เป็นมวลของอนุภาคจะได้ 

                                         
                                 
                               และ 

                                    
           จากสมการ (4.9) จะเห็นได้ว่า มวลของอนุภาคแปรผันตรงกับรัศมีความโค้งและเนื่องจากมวลของแต่ละไอโซโทปต่างกัน ดังนั้นรัศมีความโค้งของแต่ละไอโซโทปจะมีค่าไม่เท่ากัน เมื่อกระทบแผ่นฟิล์ม จะทำให้เกิดรอยดำ เราจึงใช้เครื่องมือนี้จำแนกไอโซโทปได้ ในการวิเคราะห์ผลนั้น E,B,B',R เป็นปริมาณที่วัดได้จากการทดลอง และ q คือ ประจุไฟฟ้าของอนุภาค ดังนั้นจึงหามวล m ได้ โดยวิธีการนี้ ทำให้เราสามารถหามวลอะตอมของธาตุต่าง ๆ ได้ มวลอะตอมของไอโซโทป บางชนิดแสดงไว้ในตาราง 4.6

  จากสมมติฐานเรื่องโครงสร้างของนิวเคลียสทำให้ทราบว่า องค์ประกอบของนิวเคลียสคือโปรตอนและนิวตรอนแต่เหตุใดอนุภาคทั้งสองชนิดนี้จึงอยู่รวมกันเป็นนิวเคลียสได้ ทั้งๆที่มีแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอนด้วยกันและไม่มีแรงไฟฟ้าระหว่างโปรตอนกับนิวตรอนในนิวเคลียสแสดงว่าต้องมีแรงรูปแบบใหม่ที่ยึดอนุภาคเหล่านี้ไว้ด้วยกัน แรงนี้เป็นแรงอะไร 

 นอกจากนี้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์อาจนำไปใช้ในการทำให้เกิดนิวเคลียสของธาตุชนิดไม่ เช่น ใช้ Pt Hg ในการทำให้เกิดทองคำ ดังปฏิกิริยาต่อไปนี้

  ปฏิกิริยานิวเคลียร์เหล่านี้จะเกิดขึ้นได้ต้องใช้อนุภาคที่มีพลังงานสูงมาก ในการพุ่งเข้าชนนิวเคลียสที่เป็นเป้า แต่ในการเร่งอนุภาคให้มีพลังงานสูงพอที่จะเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวต้องเสียค่าใช้จ่ายสูง ดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบค่าใช้จ่ายในการลงทุนผลิตกับมูลค่าของทองคำที่ผลิตได้ พบว่าไม่คุ้มกับการลงทุนผลิต ถึงอย่างไรก็ตามปฏิกิริยาทั้งสี่นี้ชี้ให้เห็นว่า ความฝันของนักเล่นแร่แปรธาตุในยุคโบราณสามารถทำให้เป็นจริงได้
           นอกจากทองคำแล้วยังมีนิวเคลียสอื่นๆ ที่น่าสนในอีกคือนิวเคลียสของธาตุที่มีเลขอะตอมมากกว่า 92 ซึ่งนิวเคลียสประเภทนี้ไม่มีในธรรมชาติ แต่เราก็สามารถผลิตนิวเคลียสของธาตุที่มีเลขอะตอม 93 ได้โดยการยิงนิวตรอนไปยังยูเรเนียม
           ในปัจจุบันนิวเคลียสที่ผลิตได้ด้วยวิธีนี้คือ นิวเคลียสที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ 93 ถึง 111 และนักวิทยาศาสตร์ก็ยังพยายามผลิตธาตุที่มีเลขอะตอมสูงยิ่งขึ้น
           ในการวิเคราะห์พลังงานที่เกิดในปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นพบว่า บางปฏิกิริยาต้องการพลังงานเพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาการแตกตัวของดิวเทอรอนเป็นโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งปฏิกิริยานี้จะเกิดได้ก็ต่อเมื่อได้รับรังสีแกมมาที่มีพลังงาน 2.2 MeV ดังที่กล่าวมาแล้วเราสามารถคำนวณหาพลังงานที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ลักษณะดังกล่าวโดยพิจารณาตัวอย่างปฏิกิริยา 147N ( , p) ¹⁷₈O ดังนี้

147N + 42He + 1.2MeV 178O + 11H

11H + 73Li 42He + 42He +17.3 MeV

ประโยชน์ของกัมมันตภาพรังสีและพลังงานนิวเคลียร์

          การศึกษานิวเคลียสและกัมมันตภาพรังสีที่กล่าวมาแล้วนั้น นำไปสู่การใช้ประโยชน์ 2 ทาง คือ การนำกัมมันตภาพรังสีมาใช้ และการใช้พลังงานนิวเคลียร์ ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้