Ядра можуть піддаватися реакціям, які змінюють їх кількість протонів, кількість нейтронів або енергетичний стан. Може бути залучено багато різних частинок, і найбільш поширеними є протони, нейтрони, позитрони, альфа (α) частинки, бета (β) частинки (високоенергетичні електрони) та гамма (γ) промені (які складають високоенергетичне електромагнітне випромінювання). Як і при хімічних реакціях, ядерні реакції завжди збалансовані. При виникненні ядерної реакції загальна маса (число) і загальний заряд залишаються незмінними.
Нестабільні ядра піддаються спонтанному радіоактивному розпаду. Найпоширенішими видами радіоактивності є α розпад, β розпад, γ емісія, позитронна емісія та захоплення електронів. Ядерні реакції також часто включають γ промені, а деякі ядра розпадаються шляхом захоплення електронів. Кожен з цих режимів розпаду призводить до утворення нових стабільних ядер іноді через багаторазові розпади, перш ніж закінчуватися стабільним ізотопом. Всі процеси ядерного розпаду слідують кінетиці першого порядку, і кожен радіоізотоп має свій період напіврозпаду.
Можна виробляти нові атоми, бомбардуючи інші атоми ядрами або високошвидкісними частинками. Продукти цих реакцій трансмутації можуть бути стабільними або радіоактивними. Таким чином було вироблено ряд штучних елементів, включаючи технецій, астатин та трансуранові елементи.
Коли альфа, бета- або гамма-частинки стикаються з мішенню, частина енергії в частинці передається мішені, як правило, призводить до просування електрона до «збудженого стану». У багатьох «мішенях», особливо в газах, це призводить до іонізації, а альфа, бета- і гамма-випромінювання широко називають іонізуючим випромінюванням. Лічильник Гейгера (або лічильник Гейгера-Мюллера) використовує це для того, щоб виявити ці частинки.
Протони і нейтрони називаються нуклонами, а нуклід - атом з певним числом нуклонів. Нестабільні ядра розпаду спонтанно є радіоактивними і його викиди називаються радіоактивністю. Ядра пов'язані сильною ядерною силою. Стабільні ядра, як правило, мають парні числа протонів і нейтронів із співвідношенням не менше 1. Ядра, що містять магічні числа протонів і нейтронів, часто особливо стабільні, включаючи надважкі елементи, з атомними номерами близько 126.
Вплив випромінювання на речовину залежить від енергії випромінювання. Неіонізуюче випромінювання відносно мало енергії, а енергія передається речовині у вигляді тепла. Іонізуюче випромінювання порівняно високо в енергії, і при зіткненні з атомом воно може повністю видалити електрон, утворюючи позитивно заряджений іон, який може пошкодити біологічні тканини.
