Atomlar içerdikleri proton ve nötron sayıları ile tanımlanabilirler. Bir elementin atomlarının çekirdeklerinde bulunan protonların sayısına atom numarası (Z) denir. Nötür bir atomda protonların sayısı elektronların sayısına eşittir. Bu nedenle, atom numarası aynı zamanda atomda bulunan elektron sayısını da gösterir. Bir atomun kimyasal kimliği sadece atom numarası ile belirlenebilir. Örneğin, azotun atom numarası 7 dir; bu da nötür bir azot atomunun 7 tane proton ve 7 tane elektronu olduğu anlamına gelir. Başka bir deyişle, evrende 7 tane proton içeren atomların hepsinin adı “azot”tur.
Kütle numarası (A) bir elementin atomlarının çekirdeklerinde bulunan proton ve nötronların sayısının toplamıdır. Bir proton içeren, nötronu bulunmayan ve en yaygın olarak rastlanan hidrojenin dışında, tüm atomların çekirdeklerinde hem protonlar hem de nötronlar vardır. Genel olarak kütle numarası aşağıdaki gibi tanımlanabilir:
kütle numarası = proton sayısı + nötron sayısı
kütle numarası = atom numarası + nötron sayısı
Bir atomda bulunan nötronların sayısı, kütle numarası ile atom numarasının farkına eşittir (A – Z). Örneğin florun kütle numarası 19, atom numarası 9 dur (çekirdekte 9 tane proton vardır); buna göre bir flor atomundaki nötron sayısı 19 – 9 = 10 dur. Bu değerlerin (atom numarası, nötron sayısı ve kütle numarası) artı ve tam sayılı olduğuna dikkat ediniz.
Çoğu zaman belli bir elementin atomlarının tümü aynı kütleye sahip değildir. Atom numaraları aynı, ancak kütle numaraları farklı olan atomlara izotop adı verilir. Örneğin, hidrojenin Uç izotopu vardır. Hidrojen olarak bilinen birinci izotopun bir tane protonu vardır ve nötronu yoktur. Döteryum izotopunun bir tane protonu ve bir tane nötronu, trityumun ise bir tane protonu ve iki tane nötronu vardır. Bir X elementinin atomunun atom numarası ve kütle numarası aşağıdaki gibi gösterilir.
Böylece, hidrojenin izotoplarını gösterirken,
Kütle numaraları 235 ve 238 olan uranyumun yaygın olan iki izotopu diğer bir örnek tir.
Birinci izotop atom bombalan ve nükleer reaktörlerde kullanılır, halbuki ikinci izotop bu uygulamalar için gereken özellikleri içermez. Hidrojen dışında, elementlerin farklı izotopları kütle numaraları ile tanımlanır. Buna göre yukarıdaki uranyum izotopları, uranyum-235 (uranyum iki yüz otuz beş) ve uranyum-238 (uranyum iki yüz otuz sekiz) olarak adlandırılır.
Bir elementin kimyasal özelliklerini atomlarındaki protonlar ve elektronlar belirler: normal koşullarda nötronlar kimyasal değişimlerde rol oynamazlar. Bu nedenle, bir elementin izotoplarının kimyasal özellikleri aynıdır, yani kimyasal etkinlikleri ve oluşturdukları bileşik türleri aynıdır.