Атомните ядра се състоят от протони и неутрони. Протоните имат положителен заряд, неутроните нямат електрически заряд. Той ги държи заедно така наречените силна ядрена сила (която може да преодолее протонното отблъскване).
Начинът, по който това работи, е донякъде аналогичен на това как са свързани електроните на атомите или молекулите. Следователно може да се използва подобно описание, за което ще говорим тук.
Разликата е в силата, която е отговорна за свързването, докато за електроните тя е електростатична сила, за ядрата това е споменатата силна ядрена сила (за която не познаваме простия закон на силата или не съществува).
Въпреки това е възможно да се продължи по аналогичен начин за ядрата, както за атомите и молекулите и да се намерят паралели между ядрената физика и химията. Това е т.нар многослоен модел на ядрото, за който Мария Геперт Майер (като 2-ра жена) и Ханс Йенсен получиха Нобелова награда за физика през 1963 г. (двете споделяха половината от Нобеловата награда, а другата половина през същата година бе присъдена на Юджийн Уигнър за друго откритие). Разбира се, зад слоевия модел стоят сложни квантово-физични изчисления, но резултатите могат да бъдат илюстрирани по подобен начин на химията.
Частиците от ядрото, протони и неутрони, се опитват да заемат орбити по двойки (но те изглеждат по-различно от тези, които познаваме от химията). Орбитите са подредени на слоеве в зависимост от нарастващата енергия (следователно моделът на слоя), запълненият слой е по-стабилен от частично запълнения. Съществуват отделни "стълби" на орбити за протони и неутрони (така че не е възможно една орбитала да бъде запълнена от един протон и един неутрон).
От химията помним, че стабилните атоми (по отношение на електроните) са тези, които имат напълно запълнен слой орбитали, т.нар. дублет (хелий), респ. октет (други редки газове). Тези елементи са много слабо реактивни. Подобно е за ядрата, броят на протоните и електроните, съответстващи на твърдите слоеве, съответстват на стабилните ядра. Те обаче не се наричат октети, а магически числа. Ако ядрото има магически брой протони и неутрони, то се нарича двойно по-магическо и такова ядро е особено стабилно.
Други ядра са по-малко стабилни от много, това зависи от конкретната заетост на орбитите. Тези с най-неблагоприятна заетост са радиоактивни и се стабилизират от радиация на някои частици. По същия начин реактивните атоми се стабилизират от загубата или поглъщането на електрони.
Алфа лъчението всъщност е излъчването на два протона и неутрона, хелиевите ядра. Бета радиацията се причинява от излъчен (анти) електрон, който възниква, когато неутронът се преобразува в протон (или обратно).
А какво да кажем за гама лъчението? Това е излъчването на излишна енергия под формата на електромагнитно излъчване. По този начин се държи не нестабилни ядра, а ядра, които са в възбудено състояние, което означава, че частица е скочила до орбитата на по-висок слой. Той се стабилизира чрез излъчване на излишната си енергия. И тъй като разликите в енергията между ядрените орбити са големи, това е високоенергийно гама лъчение, а не UV или видима светлина, както в случая на атоми и молекули, в които електроните скачат между нивата.
Как може да се образува такъв атом? Например чрез радиоактивен разпад на по-тежко ядро, където енергията, използвана за възбуждане, идва от енергията, отделена по време на разпада (а останалата част от енергията традиционно се преобразува в кинетичната енергия на летящите частици).
Многослойният модел е илюстративен и обяснява много, но съдържа няколко приближения. Единият е да се замени неизвестната връзка за силна ядрена сила с моделни (познати) отношения. Второто е самата същност на пластовия модел, който е само приблизително, а не точно решение на квантово-физичните уравнения за много взаимодействащи частици (същото важи и за слоевия модел в химията, така че има толкова много изключения, че обожаван толкова много в училище). Следователно физиците работят за разработване на методи, които ще ни позволят да предскажем по-точно стабилността на ядрата, което може да помогне например при намирането на нови стабилни изотопи или тежки елементи в края на периодичната таблица.
И така, защо някои елементи са радиоактивни? Тъй като възможно най-стабилното ядро с даден брой протони и неутрони все още е нестабилно, тъй като силите, които задържат частиците в ядрото, не позволяват да се събере нещо по-стабилно. Подобно на елементи с определен брой електрони, те са силно реактивни и подобно на къщи, съставени от определен брой карти, са по-склонни към разпадане.
PS: Картината показва протон от гледна точка на квантовата хромодинамика, това е нашата физически най-точна представа за това какво всъщност се случва в атомните ядра.