Τα ραδιοϊσότοπα ή τα ραδιονουκλίδια είναι ασταθείς μορφές στοιχειακής ύλης είτε ανθρωπογενείς είτε βρίσκονται στη φύση. Όλα υφίστανται μια αυθόρμητη διαδικασία ραδιενεργής αποσύνθεσης μέσω της εκπομπής σωματιδίων άλφα και βήτα, ακτίνων γάμμα και άλλων. Όλα τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα με ατομικούς αριθμούς μεγαλύτερους από 83 είναι ραδιοϊσότοπα. Υπάρχουν πάνω από 800 γνωστά ραδιοϊσότοπα που έχουν ταυτοποιηθεί, με επιπλέον 275 ισότοπα να υπάρχουν γενικά από τα 81 σταθερά στοιχεία του περιοδικού πίνακα.
Τα ισότοπα είναι μορφές ενός στοιχείου με ποικίλους αριθμούς νετρονίων στον πυρήνα του ατόμου. Καθώς τα ραδιοϊσότοπα διασπώνται, μεταμορφώνονται αργά σε άλλα ισότοπα του ίδιου στοιχείου μέσω της απόκτησης ή της απώλειας νετρονίων και τελικά γίνονται εντελώς άλλα στοιχεία. Αυτό εξαρτάται από τον ρυθμό αποσύνθεσής τους, ο οποίος είναι γνωστός ως χρόνος ημιζωής. Οι χρήσεις των ραδιοϊσοτόπων συχνά εξαρτώνται από τον χρόνο ημιζωής τους, ο οποίος είναι το χρονικό διάστημα κατά το οποίο η μισή μάζα ενός ραδιενεργού υλικού διασπάται σε άλλο υλικό. Ο άνθρακας, ο οποίος είναι σταθερός στους 12 C και στους 13 C, είναι ένα ραδιοϊσότοπο στους 8 C ή 14 C, με τον άνθρακα-14 να έχει τον πιο αργό ρυθμό διάσπασης σε χρόνο ημιζωής 5,700 ετών. Για το λόγο αυτό, και λόγω του γεγονότος ότι βρίσκεται στη φύση, ο 14C χρησιμοποιείται για τη χρονολόγηση απολιθωμάτων και ανθρώπινων τεχνουργημάτων από τις αρχαίες κοινωνίες με άνθρακα.
Σε ένα ασταθές άτομο η ισορροπία πρωτονίων/νετρονίων είναι ελαφρώς διαφορετική από τη σταθερή μορφή του, με αποτέλεσμα η ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα να είναι εκτός ισορροπίας. Καθώς τα στοιχεία γίνονται βαρύτερα, πρέπει να υπάρχουν περισσότερα νετρόνια στον πυρήνα για να εξισορροπηθούν οι δυνάμεις απώθησης πρωτονίου-πρωτονίου. Για παράδειγμα, το ουράνιο-238 είναι σταθερό, επειδή έχει 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια σε έναν πυρήνα. Τα πυρηνικά ραδιοϊσότοπα όπως το ουράνιο-235 είναι ασταθή, ωστόσο, με 92 πρωτόνια και 143 νετρόνια, επομένως διασπώνται πολύ αργά, με χρόνο ημιζωής 700 εκατομμύρια χρόνια. Ο εξαναγκασμός του ουρανίου-235 να διασπαστεί με ταχύτερο ρυθμό από βομβαρδισμό νετρονίων έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός πολύ ασταθούς πυρήνα που ουσιαστικά διασπάται και ξεκινά μια αλυσιδωτή αντίδραση γνωστή ως σχάση.
Τα ιατρικά ραδιοϊσότοπα όπως το ιώδιο βρίσκονται επίσης έξω από αυτό που είναι γνωστό ως ζώνη σταθερότητας, αλλά, σε αυτή την περίπτωση, προσφέρουν ευεργετικά χαρακτηριστικά. Το ιώδιο-131 έχει τέσσερα επιπλέον νετρόνια από το σταθερό αντίστοιχό του και έχει χρόνο ημιζωής οκτώ ημέρες. Δεδομένου ότι το ιώδιο μπορεί να καταποθεί με ασφάλεια, χρησιμοποιείται στην ιατρική ως μια μορφή ιχνηθέτη ή παράγοντα απεικόνισης. Το ιώδιο-125 χρησιμοποιείται επίσης με άμεση ένεση σε όγκους σε μια διαδικασία γνωστή ως βραχυθεραπεία, για να καταστρέφει αργά τα καρκινικά κύτταρα μέσω ακτινοβολίας, με χρόνο ημιζωής 60 ημερών. Τα ραδιοϊσότοπα σε ιατρικές εφαρμογές περιλαμβάνουν επίσης το ιρίδιο-192 με χρόνο ημιζωής 72 ημερών και το παλλάδιο-103 με χρόνο ημιζωής 17 ημέρες.