Chaque élément chimique est caractérisé, définit, par son noyau contenant un certain nombre de protons, qui est identique au nombre d'électrons de son nuage électronique (si les nombres de protons et d'électrons ne sont pas identiques, la particule est électriquement chargée, on ne parle alors plus d'un "atome" mais d'un "ion").
En outre, tout noyau contient des neutrons (à l'exception de l'hydrogène). Normalement, le nombre de neutrons est identique au nombre de protons, mais ce n'est pas une absolue nécessité. De nombreux éléments existent, en particulier parmi les éléments très lourds (noyau contenant de nombreux protons et donc neutrons), avec des noyaux contenant un nombre variable de neutrons.
Les atomes contenant des nombres identiques de protons, mais un nombre différent de neutrons, sont désignés comme étant les différents isotopes d'un élément chimique.