원자번호는 같지만 질량수가 다른 원소. 동위체라고도 한다. 동일한 원소인데도 질량에 차이가 생기는 것은 원소가 가진 중성자수가 다르기 때문이다. 그리스어 isos(같다)와 topos(장소)에 유래하였으며 isotope는 영국의 화학자 F. 소디(1901년)가 동위 원소의 개념을 확립하면서 지칭하였다. 원소 기호의 왼쪽 위에 질량수를 표시하며 같은 주기율표상에 위치하고 있다. 일반적으로 동위 원소는 성질이 비슷하지만 원자 번호가 작은 원소, 예를 들어 수소의 동위 원소(수소¹H, 중수소 ²H, 3중수소 ³H) 등에서는 화학적 성질까지도 약간 다른 데가 있다. 또한, 거의 모든 원소는 동위 원소의 혼합물이다. 동위 원소는 양자와 중성자의 조합이 안정적인 안정 동위 원소와 불안정한 방사성 동위 원소로 나누어지며, 동위 원소로서는 후자에 속하는 이오늄(현재의 ²³⁰Th)이 처음으로 발견되었다. 즉, 1906년에 B. B. 볼트우드가 이오늄이 토륨과 같은 화학적 성질을 가지고 있음을 발견했다. 안정 동위 원소로서는 1912년에 J. J. 톰슨이 양극선 분석에 의해 네온의 동위 원소 ²⁰Ne, ²²Ne를 발견했고, 이어서 F. W. 애스턴이 확산법에 의해 두 가지를 분리하는 데 성공했다. 중수소는 1932년에 H. C. 우레이가 발견했다. 오늘날에는 질량분석법에 따라 모든 원소에 대해 동위 원소가 알려져 있으며, 방사성 동위 원소가 인공적으로 많이 만들어졌다. 자연계에는 동일 원소에 포함되는 동위 원소는 지구상에서 거의 일정한 비율로 나타나므로, 어떤 원소에 관해 평균한 원자량은 일정하다고 보아도 된다. 분자 내의 원자의 하나를 그 동위 원소로 치환하면 분자의 관성모멘트가 변하므로 회전 및 진동의 에너지준위가 변한다. 따라서 양쪽 분자에 대응하는 스펙트럼선의 전이를 측정하여 동위 원소의 성질을 결정할 수 있다. 동위 원소의 원자스펙트럼에는 초미세구조 정도의 차가 나타난다. 동일 원소의 안정 동위 원소 수에는 한계가 있어, 원자번호가 홀수인 원소의 경우는 2 이하이다. 방사성 동위 원소는 추적자로서 다방면에 이용되고 있다.

[caption id="attachment_198851" align="aligncenter" width="352"] 방사성동위원소의 반감기 그래프[/caption]