Różnice między atomami różnych pierwiastków objawiają się przede wszystkim w ich właściwościach chemicznych, o których decyduje układ elektronów atomu. Z kolei to, ile elektronów zawiera atom i jak się one w nim układają, zależy od ładunku elektrycznego jądra atomu, a więc od liczby protonów w tym jądrze. A więc bezpośrednio odpowiedzialne są elektrony, a pośrednio protony w jądrze. Nie ma potrzeby sięgać do jeszcze głębszego poziomu struktury materii – kwarków – dla wyjaśnienia różnic między atomami.

Skoro zmiana właściwości atomu, czyli przekształcenie jednego pierwiastka w inny wymaga zmiany liczby protonów w jądrze, może ona nastąpić w wyniku reakcji jądrowej. Jedną z możliwości jest reakcja termojądrowa, w której jądra atomów lekkich (wodoru) łączą się tworząc cięższe jądra (helu). Inne możliwości to przemiana promieniotwórcza polegająca na wysłaniu z jądra atomu cząstki naładowanej (na przykład przemiana radu w radon), a także rozszczepienie jąder ciężkich (na przykład uranu). Reakcje jądrowe zachodzą także przy bombardowaniu jąder różnymi cząstkami. Takie cząstki mogą być w tym celu rozpędzane w akceleratorach, a w sposób naturalny docierają do naszej atmosfery w promieniowaniu kosmicznym.

Jest jeszcze pewna subtelność. Atomy mogą się różnić nie tylko liczbą protonów, ale także liczbą neutronów w jądrze. Prowadzi to do istnienia różnych odmian tego samego pierwiastka zwanych izotopami. Izotopy mają te same właściwości chemiczne, ale ze względu na różną masę atomów mogą nieco różnić się właściwościami fizycznymi (gęstość), co wykorzystuje się do wyodrębniania poszczególnych izotopów z ich naturalnej mieszaniny występującej w przyrodzie.