Alkuaineiden isotoopeista alle 10 % on vakaita. Epävakaat isotoopit hajoavat jollain aiemmin esitellyistä radioaktiivisen hajoamisen tavoista. Yleensä jokainen isotooppi hajoaa vain tietyllä tavalla, mutta esimerkiksi hyvin raskaat isotoopit voivat hajota sekä alfahajoamisen että spontaanin fission kautta. Alla olevaan kaavioon on sijoitettu kaikki tunnetut isotoopit. Vaaka-akselilla on isotoopin järjestysluku Z, eli protonien lukumäärä ja pystyakselilla isotoopin neutronien lukumäärä. Eri värit kuvaavat isotooppien pysyvyyttä.

Kaaviossa pysyvät isotoopit on merkitty mustalla. Kevyimmissä isotoopeissa protoneja ja neutroneja on likimäärin yhtä paljon, eli suhde [[$\mathrm{\frac{N}{Z}}\approx 1$]]. Raskaammissa vakaissa atomiytimissä suhde [[$\mathrm{\frac{N}{Z}}$]] on suurempi kuin yksi. Vahvan vuorovaikutuksen on helpompi liittää yhteen neutroneja kuin protoneja, koska neutronien välillä ei esiinny sähköistä poistovoimaa. Radioaktiivinen hajoaminen tapahtuukin niin, että tytärytimen [[$\mathrm{\frac{N}{Z}}$]]-suhde on lähempänä optimaalista protonien ja neutronien suhdetta kuin emoytimessä.

Satunnaisuus on luonteenomaista radioaktiiviselle hajoamiselle. Tämä perustuu nukleonien aalto-hiukkasdualistisiin ominaisuuksiin. Edellisessä luvussa tutustuttiin kvanttimekaniikan periaatteisiin, joiden mukaan hiukkasilla ei ole tarkkaa paikkaa. Sen sijaan hiukkasten sijainnilla on todennäköisyysjakauma. Ytimen nukleonit ovat vahvan vuorovaikutuksen vaikutuksen alaisena, eikä niiden liike-energia riitä ytimestä karkaamiseen. Nukleonien sijainnin todennäköisyysjakauma voi ulottua kuitenkin ytimen ulkopuolelle, mikä mahdollistaa tunneloitumisen. Tunneloitumisen myötä hiukkanen pääsee ytimen ulkopuolelle, vaikka klassisen fysiikan mukaan se ei voisi sinne liikkua. Hyvin raskaiden ydinten tapauksessa hiukkaset erkanevat ytimistä heliumytimien muodostamina kokonaisuuksina, eli alfahiukkasina. Paettuaan vahvan vuorovaikutuksen voimakkaimman vaikutuksen alueelta alfahiukkasen ja ytimen välinen sähköinen hylkimisvoima sinkoaa ne suurella vauhdilla poispäin toisistaan. Alla oleva kuvaaja esittää alfahiukkasen energiaa ytimen välittömässä läheisyydessä. Osana ydintä se on potentiaalienergiakuopassa, ja sen energia on pienempi kuin poispäin siirtymisen edellyttämä liike-energia. Tunneloituminen mahdollistaa kuitenkin potentiaalienergiavallin ylittämisen, jolloin alfahiukkanen karkaa ytimestä.