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有时一个原子的核内中子数与质子数相同。但有时，中子数与质子数不同，这类原子叫作同位素。
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我们周围看到的大部分物质都不是元素，而是化合物。2个元素以上的原子结合，化合物就产生了。举个简单例子，水就是由2个氢原子和1个氧原子组成的化合物。分子是2个及以上的原子构成的，甚至是相同元素的原子。有些分子由几百个原子构成，以特定的方式结合在一起。
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我们呼吸的氧气就是氧分子，由2个氧原子构成。3个氧原子构成的分子叫作臭氧。虽然臭氧对人体有害，但是它在地球大气层上形成了臭氧层，可以保护地球上的生物免受紫外线的伤害。
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几乎完全相同的同卵双胞胎
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某种元素的每一个原子核内的质子数都是特定的。而核内质子数也决定了其为何种元素。中子数与质子数，有时相同，有时不同。一般说来，原子序数越高，中子数越多。如，铀有92个质子和146个中子。由于强力因距离增加衰减的速度要比电磁力衰减的速度快得多，因此，原子核越大，就需要越多的中子来做“黏合剂”。
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中子数不同的原子，被称为某种元素的同位素。同位素是具有不同中子数的、相同元素的原子。质子数加中子数，叫作元素的原子量。元素的原子量标注在化学符号左上方，但为了输入方便，通常写在右侧，比如C-12，指的就是有6个质子和6个中子的碳。
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目前已知碳有15种形式，或说15种同位素。最常见的是C-12和C-13，意为具有6或7个中子的碳。这两种非常稳定，不会丢失中子。碳还有另外13种同位素，范围从C-8（6个质子，2个中子，核内粒子总量为8）到C-22（6个质子，16个中子）。
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92种元素中，有81种元素的同位素都是稳定的，不会随时间而发生变化。剩下的元素叫作放射性元素，会随时间衰变。衰变的过程中，原子核以多种不同方式释放辐射，失去能量。原子核衰减一半的速率叫作该元素的半衰期。
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C-14是重要的同位素的典型，有6个质子和8个中子。植物生长的过程中，在吸收空气中的二氧化碳的时候会吸收少量C-14。动物吃掉植物后，也会吸收C-14。动植物死后，体内C-14的半衰期需要5730年，也就是说，体内一半的C-14同位素会每隔5730年发生衰变。
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20世纪40年代，加利福尼亚物理学家威拉德·利比（Willard Libby，1908—1980）发现，测量出死亡有机体内的C-14，并将其与活的有机体内的C-14进行比对，就能得出前者的死亡时间。如果有一半的碳原子仍然是C-14，另一半已经衰变，那么此有机体就已经死了5730年。如果四分之一的碳原子仍然是C-14，剩下的四分之三已经衰变，那么此有机体就已经死了11460年。借助这个方法，可以判断一直到5万年前的有机物的年龄——这是研究事物的年龄方面的关键发现，正是这种年代测定的技术使得叙述“大历史”成为可能。
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前12种元素的同位素
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本表列出了前12种元素的中子数的不同情况。表中也显示了哪些同位素稳定，哪些不稳定。
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共价键
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水（H2O）就是“共价键”化合物，说得直白一点，就叫“共享键”的化合物。由于氧原子外壳层只有6个电子，因此2个氢原子，每个都能给氧原子提供1个电子，把氧原子的外壳层填充完整。
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原子是如何结合的？还记得原子的构成吗？小小的电子绕着硕大的原子核旋转，两者之间有很大的空间。电子绕原子核运动的轨迹，就跟一系列的3D走廊似的，也就是壳层。第一层容纳2个电子，第二、三层，每层容纳8个电子。具有完整壳层的元素是最稳定的。如果最外一层不满，电子就会从一个元素的壳层跳到另一个上去。化学反应就是电子的重新排列，这一过程就是原子核之间的化学键形成或断开的过程。化学是研究电子及其在化学键形成或断开过程中的相互作用的科学。
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在化学反应中，原子以多种方式结合。有时，一个原子的电子也会绕着另一个原子核旋转，为相邻的原子共有。这种情况下，电子受到不止一个原子核的正电荷吸引，大体在两者之间活动。这类电磁结合力将多个原子结合在一起，叫作共价键。
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有时，电子会从一个原子转移到另一个原子上。就拿食盐来说，含有11个电子的钠原子，最外一层的电子转移到一个氯原子上，而氯原子含有17个电子。这样一来，钠原子只剩10个电子，而氯原子则有18个电子——对两者来说，都有了完整的壳层。钠原子失去1个电子，带有了正电荷。而氯原子就带有了负电荷，所以二者相互吸引。这类化学键叫作离子键。
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恒星的生命周期
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恒星也有生命。虽然我们并不认为恒星像地球上的生物体那样有生命，但是我们仍然用“出生”和“死亡”等词来谈论恒星。
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恒星的“生命”取决于最初形成它的物质云的大小。质量最小的恒星差不多是太阳质量的0.01倍，而最大的能达到200多倍。恒星质量越大，燃烧速度越快。质量最大的恒星仅能维持1.25万年左右，而最小的则能存在约16万亿年。
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天文学家无法观察任何单一恒星的整个生命周期，因为天文学家活不了那么久。但天文学家可以观察很多恒星，每一颗都处于不同的发展阶段。有些是刚刚形成的“恒星宝宝”，有些则是中年恒星，比如太阳，有些年纪大了，行将灭亡，比如50亿年后的太阳。
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恒星生命中的大部分时间都在稳定地燃烧氢，将其转化成氦。这个过程叫作核聚变。由于恒星中心的温度极高，4个氢原子中的质子结合起来（熔合），这样就形成了氦元素，氦核中有2个质子和2个中子。4个质子中的2个质子会释放出正电荷。根据爱因斯坦的著名方程，这样一来，质子的一小部分质量转化成大量的能量，这些能量以光子的形式进入空间。
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