Una din doua sau mai multe specii de atomi, avand acelasi numar atomic, constituind acelasi element, dar care difera prin numarul de masa. Numarul atomic este echivalent cu numarul de protoni din nucleu, iar numarul de masa este suma protonilor si neutronilor din nucleu, izotopii aceluiasi element diferind unul de altul prin numarul de neutroni din nucleu.
Experimentele de la inceputul secolului XX indicau faptul ca substantele chimice care nu puteau fi separate chimic difera una de cealalta numai prin structura nucleului. Fizicianul englez Sir Joseph Thomson a demonstrat in anul 1912 existenta izotopilor stabili transmitand neon printr-un tub descarcat si deviind ionii de neon prin campuri magnetice si electrice; acest lucru a demonstrat faptul ca elementul stabil neon exista in mai multe forme. Thomson a descoperit doi izotopi de neon: unul cu numarul de masa 20, iar altul cu numarul de masa 22.
Experimentele de mai tarziu arata ca neonul in stare naturala este alcatuit in proportie de 90% din neon-20 (izotopul cu masa 20), 9.73% din neon-22 si 0.27% din neon-21. Cercetarile asupra izotopilor au fost continuate de catre multi oameni de stiinta, remarcabil ar fi fizicianul englez Francis William Aston; munca acestora in descoperirea si studierea izotopilor a fost accelerata prin folosirea spectrografului.
Se stie ca majoritatea elementelor in stare naturala sunt alcatuite din doi izotopi. Printre exceptii intalnim beriliul, aluminiul, fosforul si sodiul. Masa atomica a unui element este media dintre masele atomice sau numerele de masa ale izotopilor. De exemplu clorul, cu masa atomica 35.457, este alcatuit din clor-35 si clor-37, primul fiind intalnit in proportie de 76% iar cel de-al doilea in proportie de 24%. Toti izotopii elementelor cu numarul atomic mai mare de 83 (dupa bismut in tabelul periodic) sunt radioactivi. De asemenea si unii izotopi cu numarul atomic mai mic de 83, cum ar fi potasiu-40, sunt radioactivi. Pana la ora actuala sunt cunoscuti aproximativ 280 de izotopi naturali stabili (nu radioactivi).
Izotopii artificiali radioactivi, cunoscuti si sub numele de radioizotopi, au fost produsi pentru prima data de fizicienii francezi Irene si Frederic Joliot-Curie.
Numarul atomic al unui atom reprezinta numarul de protoni din nucleul sau. Acest numar ramane constant pentru un element dat. Numarul de neutroni poate varia, luand nastere izotopi care pot avea aceeasi comportare chimica, dar mase diferite. Izotopii hidrogenului sunt: protiu (nu contine nici un neutron in plus), deuteriu (un neutron) si tritiu (doi neutroni). Hidrogenul are intotdeauna un proton in nucleu. Aceste ilustratii sunt reprezentatii schematice ale atomului, si nu sunt lucrate la scara. In realitate, nucleul este de aproximativ zece mii de ori mai mic decat raza orbitala, care da marimea atomului.
Separarea izotopilor aceluiasi element unul de celalalt este dificila. O separare totala dintr-un singur pas este imposibila, deoarece izotopii aceluiasi element au aceleasi proprietati chimice. Metodele fizice sunt bazate in general pe diferentele foarte mici ale proprietatilor fizice, cauzate de diferentele maselor izotopilor. Izotopii de hidrogen, deuteriu (hydrogen-2) si hidrogenul ordinar (hidrogen-1) au fost pentru prima data separati in cantitati apreciabile. Indemanarea apartine chimistului american Harold Urey, care a descoperit deuteriul in 1932.
