具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子叫做核素。例如，原子核里有6个质子和6个中子的碳原子，质量数为12，称为12C核素。原子核里有6个质子和7个中子的碳原子，质量数为13，称为13C核素。氧元素有16、17、18三种核素。具有多种核素的元素为多核素元素，自然界仅有一种核素存在的元素称为单核素元素，如氦、氟、铝、钠等20种元素为单核素元素。多数元素为多核素元素。多核素元素中各核素互称同位素。单核素元素没有同位素。 质子数相同而中子数不同的同种元素的不同原子。例如氢有三种同位素， H氕、 H(或写作D)氘又叫重氢、 H(或写作T)氚又叫超重氢；碳有多种同位素，例如 C、 C、 C等。在19世纪末先发现了放射性同位素，随后又发现了天然存在的稳定同位素，并测定了同位素的丰度。大多数天然元素都存在几种稳定的同位素。同种元素的各种同位素质量不同，但性质几乎相同。许多同位素有重要的用途，例如 C是作为确定原子量标准的原子； H、 H是制造氢弹的材料； U是制造原子弹的材料和核反应堆的原料。同位素示踪法广泛应用于科学研究、工农业生产和医疗技术方面，例如用 O标记化合物确证了酯化反应的历程， I用于甲状腺吸碘机能的实验等。 同一种元素形成的多种单质互为同素异形体，例如金刚石和石墨是碳的同素异形体。许多元素都能形成同素异形体，形成方式有：①分子里原子个数不同，如氧气和臭氧；②晶体里原子的排列方式不同，如金刚石和石墨；③晶体里分子的排列方式不同，如斜方硫和单斜硫。同素异形体之间物理性质不同，化学性质略有差异。例如氧气是没有颜色、没有气味的气体，而臭氧是淡蓝色、有鱼腥味的气体；氧气的沸点-183℃，而臭氧的沸点-111.5℃；氧气比臭氧稳定，没有臭氧的氧化性强等。