每种物质的元素都由化学性质完全相同的原子组成。每种元素的原子由原子核及核外绕行的电子组成。原子核由质子和中子组成，中子不带电，质子带正电荷，电荷量与核外电子所带负电荷量完全相等。通常用符号“e”表示一个电子的电荷量，e=1.60210×10-19C。一个电子的质量等于9.1091×10-28g；一个质子的质量等于1.67252×10-24g，为电子的1836倍。中子的质量略大于质子，为1.67482×10-24g。在正常状态下，原子的核外绕行电子总数等于核内质子总数，所以原子为中性。原子的质量主要为原子核中质子(Z)和中子(N)的质量之和，称为质量数(A=Z+N)。原子核的半径R=1.5×10-13A1/3；并且原子核的球形体积与A成正比。
原子核外的每个电子都以确定的轨道绕核运行。每个绕行的壳层电子在核电荷场的作用下形成特定的能级，称为壳层电子的结合能(En)：
核辐射场与放射性勘查
式中：R=1.0974×107m-1，为里德伯常数；h=6.6262×10-34J·s，为普朗克常数；c=3.0×108m/s，为光速；Z为原子序数；an为正数，与壳层的电子数目有关；n为主量子数。
具有相同主量子数n的电子构成一个能级，这个主量子数n值代表电子绕核运行空间区域的大小。按照一定规律，核外电子形成彼此分离的壳层。最靠近核的壳层称为K壳层(主量子数n=1)，它的外面为L壳层(n=2)，再向外为M壳层、N壳层、O壳层、P壳层等。每个壳层最多可以有2n2个电子数。n=1 为K壳层，最多有2个电子；n=2为L壳层，最多为8个电子；n=3为M壳层，最多有18个电子。每个电子有自己独立的运行轨道，即每个轨道角动量数(l)不同，因此同一壳层的电子的位能也有差别。每个壳层又可分为若干个支壳层。支壳层数等于(2l+1)个。l=n-1，可见K壳层没有支壳层，L壳层有3个支壳层，M壳层有5个支壳层。不同支壳层有不同的电子结合能。
元素(X)的原子核内所有质子(Z)和中子(N)均称为核子。原子序数(Z)等于原子核中的质子数，核内的总电荷量为Ze。凡是原子序数(Z)相同的原子核的周围，就有相同数目的(Z及Ze)核外电子，形成化学性质相同的原子。也就是说同一种元素的原子核中，质子数必须相等；但中子数(N)不一定相同，即原子核的总质量数(A=Z+N)可以不同。具有确定质子数和中子数的一类原子或原子核称为核素，通常写成
原子核结合能处于最低能量状态(即基态)，是所有稳定原子核的状态。高于基态的能量状态，为不稳的激发态。自然界有一些元素的原子核处于不稳定状态，能自发地发生变化，由一种原子核转变为另一种原子核，并伴随着放出一种特殊射线，这种现象称为核衰变，这样的元素称为天然放射性核素(同位素)。现将主要核衰变类型简介如下。
1)α衰变。处于激发态的放射性核素(X)，自发地放出α粒子，而转变成另一种原子核(Y)的过程，称为α衰变。α粒子由2个质子和2个中子组成，质量数为4。原子序数为2，即为高速运动的氦原子核。所以，衰变后的放射性核素与母核素相比质量数A减4，原子序数降低2位。可表示为
核辐射场与放射性勘查
例如：
2)β衰变。放射性核素(X)自发地使核内一个中子转变为质子，放出带负电荷的β粒子，其实质上就是一个高速运动的电子。β粒子质量与电子的静止质量相等，带一个负电荷。β衰变生成的核素质量数不变，原子序数增加一位，可表示为
核辐射场与放射性勘查
例如：
3)电子俘获。放射性核素(X)自发地俘获一个核外轨道电子，使核内一个质子变为中子，生成的新核素质量数与母核相同，原子序数比母核减少一位。可表示为
核辐射场与放射性勘查
例如：
有一些放射性核素能同时发生β衰变和轨道电子俘获。此外在β衰变或电子俘获的核衰变过程中，同时放出质量极小的中性粒子中微子，其特点是穿透能力极强，可以穿透地球。有人正在研究它的用途。
4)同质异能γ跃迁。常见的是α衰变或β衰变产生的新原子核，处于激发态的时间很短(约10-13s)，很快跃迁到较低能级或基态，并放出γ光子(又叫γ射线，为波长极短的电磁波)。这种现象仅发生能级跃迁，而核的质量数(A)和原子序数(Z)都不变，所以称为同质异能γ跃迁。有些原子核的激发态存在时间较长，可以作为独立的放射性核素，这些通过γ跃迁的母核素与子核素称为同质异能素。
原子结构图文解：
原子核衰变图文解：
图中＋－号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特（qubit）
（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源图于比特 It from bit
量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）
注：位元即比特