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

Graafissa pysyvät isotoopit on merkitty mustalla. Kevyimmissä on protoneita ja neutroneita likimäärin yhtä paljon, eli suhde N/Z on lähellä yhtä. Raskaammissa pysyvissä ytimissä suhde N/Z on suurempi. Vahvan vuorovaikutuksen on helpompi liittää yhteen neutroneja kuin protoneja, koska neutronien välillä ei esiinny sähköistä poistovoimaa. Radioaktiivinen hajoaminen tapahtuukin niin, että tytärytimen N/Z-suhde on lähempänä optimaalista kuin emoytimen.

Satunnaisuus on luonteenomaista radioaktiiviselle hajoamiselle. Tämä perustuu nukleonien aalto-hiukkasdualistisiin ominaisuuksiin. Luvussa 2 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.

Alfahiukkasen energia ytimen läheisyydessä.