ไอโซโทปคือชนิดนิวเคลียร์ที่แตกต่างกัน (หรือนิวไคลด์ ) ของ ธาตุเคมีเดียวกัน พวกมันมี เลขอะตอมเดียวกัน(จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ) และตำแหน่งในตารางธาตุ เดียวกัน (และด้วยเหตุนี้จึงจัดอยู่ในธาตุเคมีเดียวกัน) แต่ มีเลขนิ วคลีออน ( เลขมวล ) ที่แตกต่างกันเนื่องจากจำนวนนิวตรอน ในนิวเคลียสที่แตกต่างกัน แม้ว่าไอโซโทปทั้งหมดของธาตุใดธาตุหนึ่งจะมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกันแทบทุกประการ แต่พวกมันมี มวลอะตอมและคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกัน^{[ 1 ]}

คำว่าไอโซโทปมาจากรากศัพท์ภาษากรีกisos ( ἴσος "เท่ากัน") และtopos ( τόπος "สถานที่") ซึ่งหมายถึง "สถานที่เดียวกัน": ไอโซโทปที่แตกต่างกันของธาตุหนึ่งๆ จะครอบครองสถานที่เดียวกันบนตารางธาตุ [ ^{2 ] คำ}นี้ถูกบัญญัติโดยแพทย์และนักเขียนชาวสก็อตแลนด์ชื่อมาร์กาเร็ต ทอดด์ในปี 1913 โดยเสนอแนะแก่นักเคมีชาวอังกฤษชื่อเฟรเดอริก ซอดดีซึ่งทำให้คำนี้เป็นที่นิยม^{[ 3 ]}

จำนวนโปรตอนภายในนิวเคลียสของอะตอมเรียกว่าเลขอะตอมซึ่งเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลาง (ไม่แตกตัวเป็นไอออน) เลขอะตอมแต่ละเลขใช้ระบุธาตุเฉพาะ แต่ไม่ใช่ไอโซโทป อะตอมของธาตุใดธาตุหนึ่งอาจมีจำนวนนิวตรอน ที่แตกต่างกันอย่างมาก จำนวนนิวคลีออน (ทั้งโปรตอนและนิวตรอน) ในนิวเคลียสเรียกว่าเลขมวล ของอะตอม และไอโซโทปแต่ละชนิดของธาตุใดธาตุหนึ่งจะมีเลขมวลที่แตกต่างกัน

ตัวอย่างเช่นคาร์บอน-12 , คาร์บอน-13และคาร์บอน-14เป็นไอโซโทปสามชนิดของธาตุคาร์บอนโดยมีเลขมวลอะตอม 12, 13 และ 14 ตามลำดับ เลขอะตอมของคาร์บอนคือ 6 ซึ่งหมายความว่าอะตอมคาร์บอนแต่ละอะตอมมีโปรตอน 6 ตัว ดังนั้นจำนวนนิวตรอนของไอโซโทปเหล่านี้จึงเป็น 6, 7 และ 8 ตามลำดับ

นิวไคลด์คือชนิดของอะตอมที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสที่แน่นอน เช่น คาร์บอน-13 มี 6 โปรตอนและ 7 นิวตรอน ดังนั้นคำศัพท์จึงมีความหมายคล้ายกัน แต่ แนวคิด ของนิวไคลด์ (หมายถึงชนิดของนิวเคลียสแต่ละชนิด) เน้นคุณสมบัติทางนิวเคลียร์มากกว่าคุณสมบัติทางเคมี ในขณะที่ แนวคิดของ ไอโซโทป (การจัดกลุ่มอะตอมทั้งหมดของแต่ละธาตุ) เน้นคุณสมบัติทางเคมีมากกว่าคุณสมบัติทางนิวเคลียร์ จำนวนนิวตรอนมีผลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางนิวเคลียร์ แต่ผลกระทบต่อคุณสมบัติทางเคมีนั้นน้อยมากสำหรับธาตุส่วนใหญ่ แม้แต่ธาตุที่เบาที่สุด ซึ่งอัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนต่อเลขอะตอมแตกต่างกันมากที่สุดระหว่างไอโซโทป ก็มักจะมีผลกระทบเพียงเล็กน้อย แม้ว่าจะมีผลสำคัญในบางสถานการณ์ (สำหรับไฮโดรเจน ซึ่งเป็นธาตุที่เบาที่สุด ผลกระทบของไอโซโทปนั้นมากพอที่จะส่งผลกระทบต่อชีววิทยาอย่างรุนแรง) คำว่าไอโซโทป (เดิมทีเรียกว่าธาตุไอโซโทป [ ^{4 ]}ปัจจุบันบางครั้ง เรียก ^ว่านิวไคลด์ไอโซโทป^{[ 5 ]} ) มีจุดประสงค์เพื่อสื่อถึงการเปรียบเทียบ (เช่นคำพ้องความหมายหรือไอโซเมอร์ ) ตัวอย่างเช่น นิวไคลด์¹² ₆ซี ,¹³ ₆ซี ,¹⁴ ₆Cคือไอโซโทป (นิวไคลด์ที่มีเลขอะตอมเดียวกันแต่มีเลขมวลต่างกัน^{[ 6 ]} ) แต่⁴⁰ ₁₈อาร์ ,⁴⁰ ₁₉เค ,⁴⁰ ₂₀Caคือไอโซบาร์ (นิวไคลด์ที่มีเลขมวลเดียวกัน^{[ 7 ]} ) อย่างไรก็ตาม คำว่า ไอโซโทป ซึ่ง เป็นคำที่เก่ากว่าและเป็นที่รู้จักดีกว่ายังคงถูกใช้ในบางบริบทที่นิวไคลด์อาจเหมาะสมกว่า เช่น ในเทคโนโลยีนิวเคลียร์และเวชศาสตร์นิวเคลียร์

ไอโซโทป/นิวไคลด์จะถูกระบุโดยชื่อของธาตุ (ซึ่งบ่งบอกถึงเลขอะตอม) ตามด้วยเครื่องหมายขีดกลางและเลขมวล (เช่นฮีเลียม-3 , ฮีเลียม-4 , คาร์บอน-12 , คาร์บอน-14 , ยูเรเนียม-235และยูเรเนียม-239 ) ^{[ 8 ] [ 9 ]}เมื่อ ใช้ สัญลักษณ์ทางเคมีเช่น "C" สำหรับคาร์บอน สัญกรณ์มาตรฐาน (หรือที่เรียกว่า "สัญกรณ์ AZE" เนื่องจากเขียนว่า^A _Z E โดยที่Aคือเลขมวล , Zคือเลขอะตอมและ E คือชื่อ ธาตุ ) จะระบุเลขมวล (จำนวนนิวคลีออน) ด้วยตัวยกที่ด้านบนซ้ายของสัญลักษณ์ทางเคมี และระบุเลขอะตอมด้วยตัวห้อยที่ด้านล่างซ้าย (เช่น³ ₂เขา ,⁴ ₂เขา ,¹² ₆ซี ,¹⁴ ₆ซี ,²³⁵ ₉₂ยูและ²³⁹ ₉₂U ). ^{[ 10 ]}เนื่องจากเลขอะตอมถูกกำหนดไว้แล้วโดยสัญลักษณ์ของธาตุ จึงเป็นเรื่องปกติที่จะระบุเฉพาะเลขมวลในตัวยกและละเว้นเลขอะตอมที่เป็นตัวห้อย (เช่น³ He, ⁴ He, ¹² C, ¹⁴ C, ²³⁵ U และ²³⁹ U) ตัวอักษรm (สำหรับ metastable) จะถูกเพิ่มต่อท้ายเลขมวลเพื่อระบุไอโซเมอร์นิวเคลียร์ สถานะนิวเคลียร์ ที่ไม่เสถียรหรือมีพลังงานสูง (ตรงข้ามกับสถานะพื้นฐานที่ มีพลังงานต่ำที่สุด ) ตัวอย่างเช่น^180ม. ₇₃Ta ( แทนทาลัม-180m ); สามารถเพิ่มตัวเลขต่อท้ายเพื่อแยกแยะสถานะเสถียรต่างๆ ได้ แม้ว่าในทางปฏิบัติจะพบได้น้อยก็ตาม

การออกเสียงทั่วไปของสัญลักษณ์ AZE นั้นแตกต่างจากวิธีการเขียน:⁴ ₂โดยทั่วไปแล้ว จะออกเสียงว่า ฮีเลียม-โฟร์ แทนที่จะเป็น โฟร์-ทู-ฮีเลียม และ²³⁵ ₉₂ยูเรเนียม 235 (ภาษาอังกฤษแบบอเมริกัน) หรือ ยูเรเนียม 235 (ภาษาอังกฤษแบบอังกฤษ) แทนที่จะเป็น 235-92-ยูเรเนียม หรือ 235-ยูเรเนียม นี่ไม่ใช่ข้อผิดพลาด แต่เป็นการใช้ชื่อไอโซโทปแบบดั้งเดิมที่ใช้กันมาก่อนที่ระบบการเขียนชื่อแบบ AZE จะได้รับการยอมรับ

ไอโซโทป/นิวไคลด์บางชนิดเป็นกัมมันตรังสีจึงเรียกว่าไอโซโทปกัมมันตรังสีหรือนิวไคลด์กัมมันตรังสีในขณะที่บางชนิดไม่เคยถูกสังเกตว่าสลายตัวเป็นกัมมันตรังสี จึงเรียกว่าไอโซโทปเสถียรหรือนิวไคลด์เสถียรตัวอย่างเช่น^14Cเป็นคาร์บอนในรูปแบบกัมมันตรังสี ในขณะที่^12Cและ^13Cเป็นไอโซโทปเสถียร มีนิวไคลด์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลกประมาณ 339 ชนิด^{[ 11 ]}ซึ่ง 286 ชนิดเป็นนิวไคลด์ดั้งเดิมหมายความว่าพวกมันมีอยู่มาตั้งแต่การก่อตัวของ ระบบสุริยะ

นิวไคลด์ดั้งเดิมประกอบด้วยนิวไคลด์ 35 ชนิดที่มี ครึ่งชีวิตยาวนานมาก(มากกว่า 100 ล้านปี) และ 251 ชนิดที่ถือว่าเป็น " นิวไคลด์ เสถียร " ^{[ 11 ]}เนื่องจากไม่พบการสลายตัว ในกรณีส่วนใหญ่ หากธาตุมีไอโซโทปเสถียร ไอโซโทปเหล่านั้นจะมีปริมาณมากในธาตุที่พบในโลกและในระบบสุริยะ อย่างไรก็ตาม ในกรณีของธาตุสามชนิด ( เทลลูเรียมอินเดียมและรีเนียม ) ไอโซโทปที่พบมากที่สุดในธรรมชาติคือไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีอายุยืนยาวมากหนึ่ง (หรือสอง) ไอโซโทปของธาตุนั้น แม้ว่าธาตุเหล่านี้จะมีไอโซโทปเสถียรหนึ่งหรือมากกว่าก็ตาม

ทฤษฎีทำนายว่านิวไคลด์ที่ดูเหมือน "เสถียร" หลายชนิดเป็นนิวไคลด์กัมมันตรังสี โดยมีครึ่งชีวิตที่ยาวนานมาก (โดยไม่นับรวมความเป็นไปได้ของการสลายตัวของโปรตอนซึ่งจะทำให้นิวไคลด์ทั้งหมดไม่เสถียรในที่สุด) ในทางทฤษฎี นิวไคลด์ที่เสถียรบางชนิดสามารถสลายตัวในรูปแบบอื่นที่รู้จักกัน เช่น การสลายตัวแบบอัลฟาหรือการสลายตัวแบบเบตาคู่ แต่ยังไม่มีการสังเกตพบผลผลิตจากการสลายตัวใดๆ ดังนั้นไอโซโทปเหล่านี้จึงถูกเรียกว่า "เสถียรในเชิงการสังเกต" ครึ่งชีวิตที่ทำนายไว้สำหรับนิวไคลด์เหล่านี้มักจะยาวนานกว่าอายุโดยประมาณของจักรวาล และในความเป็นจริง ยังมีนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่รู้จักกัน 31 ชนิด (ดูนิวไคลด์ดั้งเดิม ) ที่มีครึ่งชีวิตยาวนานกว่าอายุของจักรวาลด้วย

จำนวนนิวไคลด์ทั้งหมดที่รู้จัก ซึ่งส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นโดยมนุษย์นั้น มีอยู่หลายพันชนิด โดยในจำนวนนี้ 987 ชนิดมีเสถียรภาพหรือมีครึ่งชีวิตนานกว่าหนึ่งชั่วโมง ดูรายชื่อนิวไคลด์ได้ที่นี่

การมีอยู่ของไอโซโทปได้รับการเสนอแนะครั้งแรกในปี พ.ศ. 2456 โดยนักเคมีรังสีFrederick Soddyโดยอิงจากการศึกษาห่วงโซ่การสลายตัว ของกัมมันตรังสี ที่บ่งชี้ว่ามีสปีชีส์ที่แตกต่างกันประมาณ 40 ชนิดที่เรียกว่าธาตุกัมมันตรังสี (เช่น ธาตุกัมมันตรังสี) ระหว่างยูเรเนียมและตะกั่ว แม้ว่าตารางธาตุจะอนุญาตให้มีเพียง 11 ธาตุระหว่างตะกั่วและยูเรเนียมเท่านั้น^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

ความพยายามหลายครั้งในการแยกธาตุกัมมันตรังสีใหม่เหล่านี้ด้วยวิธีการทางเคมีล้มเหลว^{[ 15 ]}ตัวอย่างเช่น Soddy ได้แสดงให้เห็นในปี 1910 ว่า ไม่สามารถแยก เมโซทอเรียม (ซึ่งต่อมาพบว่าเป็น²²⁸ Ra) เรเดียม ( ²²⁶ Ra ซึ่งเป็นไอโซโทปที่มีอายุยืนยาวที่สุด) และทอเรียม X ( ²²⁴ Ra) ออกจากกันได้^{[ 16 ]}ความพยายามที่จะวางธาตุกัมมันตรังสีลงในตารางธาตุทำให้ Soddy และKazimierz Fajansเสนอกฎการแทนที่กัมมันตรังสี ของพวกเขาโดยอิสระ ในปี 1913 ซึ่งมีผลว่าการสลายตัวแบบอัลฟาทำให้เกิดธาตุที่อยู่ทางซ้ายสองตำแหน่งในตารางธาตุ ในขณะที่ การปล่อย การสลายตัวแบบเบตาทำให้เกิดธาตุที่อยู่ทางขวาหนึ่งตำแหน่ง^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} Soddy ตระหนักว่าการปล่อยอนุภาคอัลฟาตามด้วยอนุภาคเบตา 2 อนุภาคทำให้เกิดธาตุที่มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกับธาตุเริ่มต้น แต่มีมวลเบากว่า 4 หน่วยและมีคุณสมบัติกัมมันตรังสีที่แตกต่างกัน

ซอดดี้เสนอว่าอะตอมหลายประเภท (ซึ่งมีคุณสมบัติทางกัมมันตรังสีแตกต่างกัน) สามารถอยู่ในตำแหน่งเดียวกันในตารางได้^{[ 14 ]}ตัวอย่างเช่น การสลายตัวแบบอัลฟาของยูเรเนียม-235 ก่อให้เกิดธอร์เรียม-231 ในขณะที่การสลายตัวแบบเบตาของแอคติเนียม-230 ก่อให้เกิดธอร์เรียม-230 ^{[ 15 ]}คำว่า "ไอโซโทป" ซึ่งเป็นภาษากรีกแปลว่า "อยู่ในตำแหน่งเดียวกัน" ^{[ 14 ]}ได้รับการแนะนำให้ซอดดี้โดยมาร์กาเร็ต ทอดด์แพทย์ชาวสก็อตและเพื่อนของครอบครัว ในระหว่างการสนทนาที่เขาอธิบายความคิดของเขาให้เธอฟัง^{[ 16 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีใน ปี 1921 ส่วนหนึ่งจากผลงานของเขาเกี่ยวกับไอโซโทป^{[ 26 ]}

ในปี พ.ศ. 2457 TW Richardsพบความแปรผันระหว่างน้ำหนักอะตอมของตะกั่วจากแหล่งแร่ที่แตกต่างกัน ซึ่งเกิดจากความแปรผันขององค์ประกอบไอโซโทปที่เกิดจากกัมมันตรังสี^{[ 26 ]} โดย อนุกรมกัมมันตรังสีตามธรรมชาติสิ้นสุดลงด้วยไอโซโทปของตะกั่วที่แตกต่างกันสามชนิด

หลักฐานแรกเกี่ยวกับไอโซโทปหลายชนิดของธาตุเสถียร (ไม่เป็นกัมมันตรังสี) ถูกค้นพบโดยJJ Thomsonในปี 1912/1913 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการสำรวจองค์ประกอบของรังสีคลอง (ไอออนบวก) ^{[ 27 ]} Thomson ได้นำกระแสไอออนผ่านสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าคู่ขนาน วัดการเบี่ยงเบนโดยการวางแผ่นฟิล์มถ่ายภาพไว้ในเส้นทาง และคำนวณอัตราส่วนมวลต่อประจุโดยใช้วิธีที่ต่อมาเรียกว่าวิธีพาราโบลาของ Thomson แต่ละ 'เส้น' สามารถระบุได้ด้วยน้ำหนักอะตอมที่เฉพาะเจาะจง ดังนั้นจึงสามารถระบุธาตุและสารประกอบต่างๆ ได้ บทความเริ่มต้นของ Thomson ในPhilosophical Magazineอธิบายถึงเทคนิคที่ใช้ แต่ไม่ได้แสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับเส้นที่ผิดปกติ อย่างไรก็ตาม ในการบรรยายที่ Royal Institution เมื่อวันที่ 17 มกราคม 1913 Thomson ได้ระบุ "เส้นที่สอดคล้องกับน้ำหนักอะตอม 22 ซึ่งไม่สามารถระบุได้ว่าเป็นเส้นที่เกิดจากก๊าซใดๆ ที่รู้จัก" เขากล่าวต่อไปว่า

ที่มาของเส้นนี้มีจุดที่น่าสนใจหลายประการ ไม่มีสารประกอบก๊าซที่รู้จักของธาตุที่ได้รับการยอมรับใดๆ ที่มีน้ำหนักโมเลกุลนี้ อีกครั้ง หากเรายอมรับกฎคาบของเมนเดลีฟ ก็ไม่มีที่ว่างสำหรับธาตุใหม่ที่มีน้ำหนักอะตอมนี้^{[ 28 ]}

จากนั้นมีการบรรยายเรื่องเดียวกันนี้ให้กับสมาคมปรัชญาเคมบริดจ์ในวันที่ 27 มกราคม พ.ศ. 2456 และต่อมาในปีเดียวกัน ทอมสันได้นำเสนอการตีความที่สมบูรณ์ของเขาในการบรรยายเบเกอร์เรียนของราชสมาคม ที่นั่นเขาได้แสดงภาพของแถบแสงรูปพาราโบลาบนแผ่นฟิล์มถ่ายภาพอีกครั้ง (ดูภาพ) ซึ่งชี้ให้เห็นถึงนิวเคลียสของนีออน สองชนิด ที่มีอัตราส่วนมวลต่อประจุต่างกัน เขาเขียนว่า "ดังนั้น ผมคิดว่าแทบไม่มีข้อสงสัยเลยว่าสิ่งที่เรียกว่านีออนนั้นไม่ใช่ก๊าซธรรมดา แต่เป็นส่วนผสมของก๊าซสองชนิด ชนิดหนึ่งมีน้ำหนักอะตอมประมาณ 20 และอีกชนิดหนึ่งประมาณ 22 พาราโบลาที่เกิดจากก๊าซที่หนักกว่าจะจางกว่าพาราโบลาที่เกิดจากก๊าซที่เบากว่ามาก ดังนั้นก๊าซที่หนักกว่าน่าจะประกอบเป็นเปอร์เซ็นต์เล็กน้อยของส่วนผสมเท่านั้น" ^{[ 29 ]}

ต่อมา FW Astonได้ค้นพบไอโซโทปเสถียรหลายชนิดสำหรับธาตุต่างๆ โดยใช้เครื่องสเปกโตรกราฟมวลซึ่งเกี่ยวข้องกับวิธีการของ Thomson ในปี 1919 Aston ศึกษาธาตุนีออนด้วยความละเอียด ที่เพียงพอ ที่จะแสดงให้เห็นว่ามวลของไอโซโทปทั้งสองนั้นใกล้เคียงกับจำนวนเต็ม 20 และ 22 มาก และไม่มีค่าใดเท่ากับมวลโมลาร์ที่ทราบ (20.2) ของก๊าซนีออน นี่เป็นตัวอย่างของกฎจำนวนเต็ม ของ Aston สำหรับมวลของไอโซโทป ซึ่งปัจจุบันเป็นที่ทราบกันว่าไม่มีข้อยกเว้น โดยระบุว่าการเบี่ยงเบนอย่างมากของมวลโมลาร์ของธาตุจากจำนวนเต็มนั้นเกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าธาตุนั้นเป็นส่วนผสมของไอโซโทป Aston แสดงให้เห็นในทำนองเดียวกันในปี 1920 ว่ามวลโมลาร์ของคลอรีน (35.45) เป็นค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักของมวลเกือบเป็นจำนวนเต็มสำหรับไอโซโทป35Cl ^และ 37Cl ^{ทั้ง สอง [ 30 ] [ 31 ]}

หลังจากการค้นพบนิวตรอนโดยเจมส์ แชดวิกในปี พ.ศ. 2475 ^{[ 32 ]}สาเหตุหลักของการมีอยู่ของไอโซโทปก็ได้รับการชี้แจง นั่นคือ นิวเคลียสของไอโซโทปที่แตกต่างกันสำหรับธาตุที่กำหนดจะมีจำนวนนิวตรอนที่แตกต่างกัน แม้ว่าจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากันก็ตาม

อะตอมที่เป็นกลางจะมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอน ดังนั้นไอโซโทปต่าง ๆ ของธาตุเดียวกันจึงมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันและมีโครงสร้างอิเล็กตรอนที่คล้ายคลึงกัน เนื่องจากพฤติกรรมทางเคมีของอะตอมส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยโครงสร้างอิเล็กตรอน ไอโซโทปต่าง ๆ จึงแสดงพฤติกรรมทางเคมีที่เกือบจะเหมือนกัน

ข้อยกเว้นหลักคือปรากฏการณ์ไอโซโทปจลน์ : เนื่องจากมวลที่มากกว่า ไอโซโทปที่หนักกว่าจึงมีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยาช้ากว่าไอโซโทปที่เบากว่าของธาตุเดียวกัน ปรากฏการณ์นี้เด่นชัดที่สุดสำหรับโปรเทียม (¹H ), ดิวเทอเรียม (²H ) และทริเทียม (³H ) เนื่องจากดิวเทอเรียมมีมวลเป็นสองเท่าของโปรเทียม และทริเทียมมีมวลเป็นสามเท่าของโปรเทียม^{[ 33 ]}ความแตกต่างของมวลเหล่านี้ยังส่งผลต่อพฤติกรรมของพันธะเคมีที่เกี่ยวข้องด้วย โดยการเปลี่ยนจุดศูนย์ถ่วง ( มวลลดลง ) ของระบบอะตอม อย่างไรก็ตาม สำหรับธาตุที่หนักกว่า ความแตกต่างของมวลสัมพัทธ์ระหว่างไอโซโทปจะน้อยกว่ามาก ดังนั้นผลกระทบของความแตกต่างของมวลต่อเคมีจึงมักจะน้อยมาก (ธาตุหนักยังมีนิวตรอนมากกว่าธาตุที่เบากว่า ดังนั้นอัตราส่วนของมวลนิวเคลียร์ต่อมวลอิเล็กตรอนรวมจึงมากกว่าเล็กน้อย) นอกจากนี้ยังมีผลกระทบของไอโซโทปสมดุลด้วย

ในทำนองเดียวกัน โมเลกุลสอง ชนิด ที่แตกต่างกันเฉพาะไอโซโทปของอะตอม ( ไอโซโทโพล็อก ) จะมีโครงสร้างอิเล็กตรอนที่เหมือนกัน และด้วยเหตุนี้จึงมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่แทบจะแยกไม่ออก (โดยมีดิวเทอเรียมและทริเทียมเป็นข้อยกเว้นหลัก) โหมดการสั่นของโมเลกุลถูกกำหนดโดยรูปร่างและมวลของอะตอมที่เป็นองค์ประกอบ ดังนั้นไอโซโทโพล็อกที่แตกต่างกันจึงมีชุดโหมดการสั่นที่แตกต่างกัน เนื่องจากโหมดการสั่นทำให้โมเลกุลสามารถดูดซับโฟตอนที่มีพลังงานที่สอดคล้องกันได้ ไอโซโทโพล็อกจึงมีคุณสมบัติทางแสงที่แตกต่างกันในช่วง อินฟราเรด

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงนิวเคลียร์แบบแรงที่เหลืออยู่เนื่องจากโปรตอนมีประจุบวก จึงผลักกันเอง นิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า จะช่วยรักษาเสถียรภาพของนิวเคลียสได้สองวิธี การมีอยู่ของนิวตรอนจะผลักโปรตอนให้แยกออกจากกันเล็กน้อย ลดแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอน และนิวตรอนยังออกแรงดึงดูดนิวเคลียร์ต่อกันและต่อโปรตอนด้วย ด้วยเหตุนี้ จึงจำเป็นต้องมีนิวตรอนอย่างน้อยหนึ่งตัวเพื่อให้โปรตอนสองตัวหรือมากกว่านั้นรวมตัวกันเป็นนิวเคลียส เมื่อจำนวนโปรตอนเพิ่มขึ้น อัตราส่วนของนิวตรอนต่อโปรตอนที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่านิวเคลียสมีเสถียรภาพก็จะเพิ่มขึ้นด้วย (ดูแผนภูมิทางด้านขวา) ตัวอย่างเช่น แม้ว่าอัตราส่วนนิวตรอนต่อโปรตอนของ³ ₂เขามีอัตราส่วนนิวตรอนต่อโปรตอน 1:2²³⁸ ₉₂Uมีค่ามากกว่า 3:2 ธาตุเบาหลายชนิดมีนิวไคลด์เสถียรที่มีอัตราส่วน 1:1 ( Z = N ) นิวไคลด์⁴⁰ ₂₀แคลเซียม-40 ( Ca ) เป็นนิวไคลด์เสถียรที่หนักที่สุดที่สังเกตได้ โดยมีจำนวนนิวตรอนและโปรตอนเท่ากัน นิวไคลด์เสถียรทั้งหมดที่หนักกว่าแคลเซียม-40 จะมีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอน

ในบรรดาธาตุ 80 ชนิดที่มีไอโซโทปเสถียร ธาตุที่มีจำนวนไอโซโทปเสถียรมากที่สุดคือธาตุดีบุก ไม่มีธาตุใดที่มีไอโซโทปเสถียร 9 หรือ 8 ชนิด มีธาตุ 5 ชนิดที่มีไอโซโทปเสถียร 7 ชนิด ธาตุ 7 ชนิดมีไอโซโทปเสถียร 6 ชนิด ธาตุ 11 ชนิดมีไอโซโทปเสถียร 5 ชนิด ธาตุ 9 ชนิดมีไอโซโทปเสถียร 4 ชนิด ธาตุ 5 ชนิดมีไอโซโทปเสถียร 3 ชนิด และธาตุ 16 ชนิดมีไอโซโทปเสถียร 2 ชนิด (นับรวม)^180ม. ₇₃Taมีเสถียรภาพ) และธาตุ 26 ธาตุมีไอโซโทปเสถียรเพียงไอโซโทปเดียว (ในจำนวนนี้ 19 ธาตุเรียกว่าธาตุโมโนนิวคลิดิกซึ่งมีไอโซโทปเสถียรดั้งเดิมเพียงไอโซโทปเดียวที่เด่นและกำหนดน้ำหนักอะตอมของธาตุธรรมชาติได้อย่างแม่นยำสูง นอกจากนี้ยังมีธาตุโมโนนิวคลิดิกกัมมันตรังสีอีก 2 ธาตุ) ^{[ 34 ]}โดยรวมแล้ว มีนิวไคลด์ 251 ชนิดที่ยังไม่พบการสลายตัว สำหรับธาตุ 80 ธาตุที่มีไอโซโทปเสถียรหนึ่งไอโซโทปหรือมากกว่านั้น จำนวนไอโซโทปเสถียรโดยเฉลี่ยคือ 251/80 ≈ 3.14 ไอโซโทปต่อธาตุ

อัตราส่วนโปรตอนต่อนิวตรอนไม่ใช่ปัจจัยเดียวที่ส่งผลต่อเสถียรภาพของนิวเคลียส มันยังขึ้นอยู่กับเลขอะตอมZจำนวนนิวตรอนNและผลรวมของทั้งสอง คือ เลขมวล A ด้วย การที่ ZและN เป็นเลขคี่มักจะทำให้ พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสลดลงทำให้โดยทั่วไปแล้วนิวเคลียสที่มีเลขอะตอมเป็นเลขคี่จะมีเสถียรภาพน้อยกว่า ความแตกต่างอย่างมากของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสระหว่างนิวเคลียสที่อยู่ใกล้เคียงกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งไอโซบาร์ ที่มีเลขมวลเป็นเลขคี่ มีผลกระทบที่สำคัญ คือ ไอโซโทปที่ไม่เสถียรซึ่งมีจำนวนนิวตรอนหรือโปรตอนที่ไม่เหมาะสมจะสลายตัวด้วยการสลายตัวแบบเบตา (รวมถึงการปล่อยโพซิตรอน ) การจับอิเล็กตรอนหรือโหมดการสลายตัวอื่นๆ ที่พบได้น้อยกว่า เช่นการแตกตัวแบบเกิดขึ้นเองและ การ สลาย ตัวแบบคลัสเตอร์

นิวไคลด์เสถียรส่วนใหญ่เป็นแบบที่มีโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคู่ โดยที่จำนวนZ , NและAเป็นเลขคู่ทั้งหมด ส่วนนิวไคลด์เสถียรแบบที่มีA เป็นเลขคี่ จะแบ่งออกเป็น (อย่างเท่าๆ กันโดยประมาณ) นิวไคลด์แบบที่มีโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคี่ และนิวไคลด์แบบที่มีโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคู่ นิวไคลด์เสถียรแบบที่มีโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคี่นั้นพบได้น้อยที่สุด

นิวไคลด์ที่มีโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคู่ (EE) จำนวน 146 ชนิด ประกอบกันเป็นประมาณ 58% ของนิวไคลด์เสถียรทั้งหมด และทั้งหมดมีสปินเป็น 0 เนื่องจากการจับคู่ นอกจากนี้ยังมีนิวไคลด์คู่-คู่ดั้งเดิมที่มีอายุยืนยาวอีก 24 ชนิด ด้วยเหตุนี้ ธาตุเลขคู่ทั้ง 41 ธาตุ ตั้งแต่ 2 ถึง 82 จึงมีไอโซโทปเสถียรอย่างน้อยหนึ่งชนิดและธาตุส่วนใหญ่เหล่านี้มี ไอโซโทปดั้งเดิม หลายชนิดครึ่งหนึ่งของธาตุเลขคู่เหล่านี้มีไอโซโทปเสถียรหกชนิดขึ้นไป ความเสถียรอย่างมากของฮีเลียม-4เนื่องจากการจับคู่ แบบคู่ ของโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว ป้องกันไม่ให้ มีนิวไคลด์ ใดที่มีโปรตอนห้าตัว (⁵ ₂เขา ,⁵ ₃หลี่ ) หรือแปด (⁸ ₄นิวคลีออน (Be ) ไม่สามารถดำรงอยู่ได้นานพอที่จะทำหน้าที่เป็นฐานสำหรับการสะสมของธาตุที่หนักกว่าผ่านกระบวนการฟิวชั่นนิวเคลียร์ในดาวฤกษ์ (ดูกระบวนการทริปเปิลอัลฟา )

มีเพียงนิวไคลด์เสถียร 5 ชนิดเท่านั้นที่มีทั้งจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ นิวไคลด์ "เลขคี่-เลขคี่" สี่ชนิดแรกพบในนิวไคลด์มวลต่ำ ซึ่งการเปลี่ยนโปรตอนเป็นนิวตรอนหรือในทางกลับกันจะทำให้สัดส่วนโปรตอนต่อนิวตรอน ไม่สมดุลอย่างมาก (² ₁ชม ,⁶ ₃หลี่¹⁰ ₅วงดนตรี¹⁴ ₇N ; สปิน 1, 1, 3, 1) นิวไคลด์คี่-คี่ที่ "เสถียร" อย่างสมบูรณ์อีกชนิดเดียว^180ม. ₇₃Ta (สปิน 9) เชื่อกันว่าเป็นนิวไคลด์ที่หายากที่สุดในบรรดานิวไคลด์เสถียร 251 ชนิด และเป็นไอโซเมอร์นิวเคลียร์ ดั้งเดิมเพียงชนิดเดียว ที่ยังไม่พบการสลายตัวแม้จะมีการทดลองแล้วก็ตาม ^{[ 35 ]}

มีนิวไคลด์กัมมันตรังสีแบบคี่-คี่จำนวนมาก (เช่น สถานะพื้นฐานของแทนทาลัม-180) ที่มีครึ่งชีวิตค่อนข้างสั้น โดยปกติแล้ว นิวไคลด์เหล่านี้จะสลายตัวแบบเบตาไปเป็นไอโซบาร์แบบคู่-คู่ที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งมีโปรตอนและนิวตรอนเป็นคู่ ในบรรดานิวไคลด์แบบคี่-คี่ดั้งเดิมทั้งเก้าชนิด (ห้าชนิดเสถียรและสี่ชนิดกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตยาว) มีเพียง...¹⁴ ₇Nเป็นไอโซโทปที่พบได้บ่อยที่สุดของธาตุทั่วไป เนื่องจากเป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักร CNOนิวไคลด์เหล่า⁶ ₃หลี่และ¹⁰ ₅ไอโซโทป Bเป็นไอโซโทปส่วนน้อยของธาตุ ซึ่งตัวมันเองก็หายากเมื่อเทียบกับธาตุเบาอื่นๆ ในขณะที่ไอโซโทปอีกหกชนิดที่เหลือมีสัดส่วนเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับปริมาณที่มีอยู่ในธรรมชาติของธาตุเหล่านั้น

นิวไคลด์เสถียร 53 ชนิดมีจำนวนโปรตอนเป็นเลขคู่และจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ ซึ่งนับว่าเป็นส่วนน้อยเมื่อเทียบกับไอโซโทปที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคู่ ซึ่งมีจำนวนมากกว่าประมาณ 3 เท่า ในบรรดาธาตุที่มีเลขอะตอมเป็นเลขคู่ 41 ที่มีนิวไคลด์เสถียร มีเพียงสองธาตุ (อาร์กอนและซีเรียม) ที่ไม่มีนิวไคลด์เสถียรที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคู่ ส่วนธาตุหนึ่ง (ดีบุก) มีสามชนิด มีธาตุ 24 ธาตุที่มีนิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคู่หนึ่งชนิด และ 13 ธาตุที่มีนิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคี่สองชนิด ในบรรดานิวไคลด์กัมมันตรังสีดั้งเดิม 35 ชนิด มีนิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคู่สี่ชนิด (ดูตารางด้านขวา) รวมทั้งนิวไคลด์ที่สามารถแตกตัว ได้²³⁵ ₉₂เนื่องจากจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ นิวไคลด์ที่มีโปรตอนคู่และนิวตรอนคี่จึงมักมีภาคตัดขวางการจับนิวตรอนขนาดใหญ่ อันเนื่องมาจากพลังงานที่เกิดจากผลของการจับคู่นิวตรอน นิวไคลด์ที่มีโปรตอนคู่และนิวตรอนคี่ที่เสถียรเหล่านี้มักพบได้ไม่บ่อยนักในธรรมชาติ โดยทั่วไปเป็นเพราะในการก่อตัวและเข้าสู่ความอุดมสมบูรณ์ดั้งเดิม พวกมันต้องหลุดพ้นจากการจับนิวตรอนเพื่อสร้างไอโซโทปที่มีโปรตอนคู่และนิวตรอนคี่ที่เสถียรอื่นๆ ทั้งในกระบวนการ sและกระบวนการ rของการจับนิวตรอนระหว่างการสังเคราะห์นิวเคลียสในดาวฤกษ์ด้วยเหตุนี้ จึงมีเพียง¹⁹⁵ ₇₈พีทีและ⁹ ₄บี (Be)เป็นไอโซโทปที่พบได้มากที่สุดในธรรมชาติของธาตุนั้นๆ

นิวไคลด์ที่มีโปรตอนคี่และนิวตรอนคู่ที่เสถียรจำนวน 48 ชนิด ซึ่งเสถียรโดยนิวตรอนคู่ของพวกมัน เป็นส่วนประกอบหลักของไอโซโทปที่เสถียรของธาตุเลขคี่ ส่วนนิวไคลด์ที่มีโปรตอนคี่และนิวตรอนคี่อีกจำนวนน้อยมากนั้นประกอบเป็นไอโซโทปอื่นๆ ที่เหลือ มีธาตุเลขคี่ 41 ชนิดที่มีZ = 1 ถึง 81 ซึ่ง 39 ชนิดมีไอโซโทปที่เสถียร ( เทคนีเซียม (₄₃Tc ) และโพรมีเทียม (₆₁Pm ) ไม่มีไอโซโทปเสถียร) ใน บรรดาธาตุที่มี เลขอะตอม เป็นเลขคี่ 39 ธาตุนี้ มี 30 ธาตุ (รวมถึงไฮโดรเจน-1 ซึ่งนิวตรอน 0 ตัวถือเป็นเลขคู่ ) ที่มีไอโซโทปเลขคี่-เลขคู่เสถียรหนึ่งไอโซโทป และอีก 9 ธาตุ ได้แก่ คลอรีน (₁₇Cl ), โพแทสเซียม (₁₉K ), ทองแดง (₂₉Cu ), แกลเลียม (₃₁Ga ), โบรมีน (₃₅Br ), เงิน (₄₇Ag ), แอนติโมนี (₅₁Sb ), อิริเดียม (₇₇Ir ) และ แทลเลียม (₈₁Tl ) มีไอโซโทปเสถียรแบบคี่-คู่ อย่างละ 2 ไอโซโทป ทำให้มีไอโซโทปเสถียรแบบคี่-คู่ รวมทั้งหมด 30 + 2(9) = 48 ไอโซโทป

นอกจากนี้ยังมีไอโซโทปเลขคี่-เลขคู่ดั้งเดิมที่มีอายุยืนยาวอีกห้าชนิดด้วย⁸⁷ ₃₇อาร์บี ,¹¹⁵ ₄₉ใน ,¹⁸⁷ ₇₅อีกครั้ง ,¹⁵¹ ₆₃ยูและ²⁰⁹ ₈₃Bi . สองชนิดหลังนี้เพิ่งถูกค้นพบว่าสลายตัวได้เมื่อไม่นานมานี้ โดยมีครึ่งชีวิตมากกว่า 10 ¹⁸ปี

โดยทั่วไปแล้ว ธาตุแอคติไนด์ที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่จะสามารถแตกตัวได้ (ด้วยนิวตรอนความร้อน ) ในขณะที่ ธาตุแอคติไนด์ที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคู่โดยทั่วไปจะไม่สามารถแตกตัวได้ แต่สามารถแตกตัวได้ ด้วยนิวตรอนเร็ว นิวไคลด์ที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่และเลขคี่ที่เสถียรในทางสังเกตการณ์ทั้งหมดจะมีค่าสปินเป็นจำนวนเต็มที่ไม่เป็นศูนย์ เนื่องจากนิวตรอนเดี่ยวและโปรตอนเดี่ยวที่ไม่มีคู่จะมีแรงดึงดูด นิวเคลียร์ต่อกันมากขึ้นหากสปินของพวกมันเรียงตัวกัน (ทำให้สปินรวมมีค่าอย่างน้อย 1 หน่วย) แทนที่จะเรียงตัวตรงข้ามกัน ดูดิวเทอเรียมเป็นตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของพฤติกรรมนิวเคลียร์นี้

เท่านั้น¹⁹⁵ ₇₈พีที ,⁹ ₄จงเป็นและ¹⁴ ₇Nคือไอโซโทปที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ และเป็นไอโซโทปที่พบมากที่สุดในธรรมชาติของธาตุนั้นๆ

ธาตุต่างๆ ประกอบด้วยนิวไคลด์เพียงชนิดเดียว ( ธาตุโมโนนิวไคลด์ ) หรือประกอบด้วยไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติมากกว่าหนึ่งชนิด ไอโซโทปที่ไม่เสถียร (กัมมันตรังสี) แบ่งออกเป็น ไอโซโทป ดั้งเดิมและไอโซโทปหลังดั้งเดิม ไอโซโทปดั้งเดิมเป็นผลผลิตจากกระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียสในดาวฤกษ์หรือกระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียสประเภทอื่นๆ เช่นการแตกตัวของนิวเคลียสจากรังสีคอสมิกและคงอยู่มาจนถึงปัจจุบันเนื่องจากอัตราการสลายตัวช้ามาก (เช่นยูเรเนียม-238และโพแทสเซียม-40 ) ไอโซโทปหลังดั้งเดิมเกิดขึ้นจากการชนของรังสีคอสมิกในรูปของ นิว ไคลด์คอสมิกเจนิก (เช่นทริเทียมคาร์บอน-14 ) หรือจากการสลายตัวของไอโซโทปดั้งเดิมที่เป็นกัมมันตรังสีไปเป็นนิวไคลด์ลูกสาวที่เป็นกัมมันตรังสี (เช่นยูเรเนียมไปเป็นเรเดียม ) ไอโซโทปบางชนิดถูกสังเคราะห์ขึ้นตามธรรมชาติในฐานะ นิวไคลด์ นิวคลีโอเจนิ ก โดย ปฏิกิริยานิวเคลียร์ตามธรรมชาติอื่นๆเช่น เมื่อนิวตรอนจากปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์ ตามธรรมชาติ ถูกดูดซับโดยอะตอมอื่น

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น มีเพียง 80 ธาตุเท่านั้นที่มีไอโซโทปเสถียร และในจำนวนนี้ 26 ธาตุมีไอโซโทปเสถียรเพียงไอโซโทปเดียว ดังนั้น ประมาณสองในสามของธาตุเสถียรจึงเกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลกในรูปของไอโซโทปเสถียรหลายไอโซโทป โดยธาตุที่มีจำนวนไอโซโทปเสถียรมากที่สุดคือสิบไอโซโทป สำหรับดีบุก (₅₀Sn ) มีธาตุประมาณ 94 ชนิดที่พบได้ตามธรรมชาติบนโลก (รวมถึงพลูโทเนียมด้วย) แม้ว่าบางชนิดจะตรวจพบได้ในปริมาณน้อยมาก เช่นพลูโทเนียม-244นักวิทยาศาสตร์ประมาณการว่าธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลก (บางชนิดเป็นไอโซโทปรังสีเท่านั้น) มีทั้งหมด 339 ไอโซโทป ( นิวไคลด์ ) ^{[ 36 ]}มีเพียง 251 นิวไคลด์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเหล่านี้เท่านั้นที่มีเสถียรภาพ ในแง่ที่ว่าไม่เคยถูกสังเกตว่าสลายตัวจนถึงปัจจุบันนี้ นอกจากนี้ยัง มี นิวไคลด์ดั้งเดิม อีก 35 ชนิด (รวมเป็น 286 นิวไคลด์ดั้งเดิม) ที่เป็นกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตที่ทราบ แต่มีครึ่งชีวิตที่ยาวนานกว่า 100 ล้านปี ทำให้พวกมันมีอยู่ตั้งแต่เริ่มต้นของระบบสุริยะ ดูรายการนิวไคลด์สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม

นิวไคลด์เสถียรที่รู้จักกันทั้งหมดเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติบนโลก ส่วนนิวไคลด์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติอื่นๆ นั้นเป็นนิวไคลด์กัมมันตรังสี แต่เกิดขึ้นบนโลกเนื่องจากมีครึ่งชีวิตค่อนข้างยาว หรือเกิดจากการผลิตตามธรรมชาติอย่างต่อเนื่องในรูปแบบอื่นๆ ซึ่งรวมถึงนิวไคลด์คอสมิก ที่กล่าวถึงไปแล้ว นิ ว ไคลด์นิวเคลียร์และ นิวไคลด์ กัมมันตรังสี ใดๆ ที่เกิดขึ้นจากการสลายตัวอย่างต่อเนื่องของนิวไคลด์กัมมันตรังสีดั้งเดิม เช่นเรดอนและเรเดียมจากยูเรเนียม

นิวไคลด์กัมมันตรังสีเพิ่มเติมอีกประมาณ 3,000 ชนิดที่ไม่พบในธรรมชาติ ได้ถูกสร้างขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และเครื่องเร่งอนุภาค นอกจากนี้ ยังตรวจพบนิวไคลด์ที่มีอายุสั้นจำนวนมากที่ไม่พบตามธรรมชาติบนโลก โดยการวิเคราะห์ทางสเปกโทรสโกปี ซึ่งพบว่าเกิดขึ้นตามธรรมชาติในดาวฤกษ์หรือซูเปอร์โนวาตัวอย่างเช่นอะลูมิเนียม-26ซึ่งไม่พบตามธรรมชาติบนโลก แต่พบได้ในปริมาณมากในระดับดาราศาสตร์

มวลอะตอมของธาตุต่างๆ ที่ระบุไว้ในตารางนั้นเป็นค่าเฉลี่ยที่คำนึงถึงไอโซโทปหลายชนิดที่มีมวลแตกต่างกัน ก่อนการค้นพบไอโซโทป ค่ามวลอะตอมสัมพัทธ์ที่ไม่ใช่จำนวนเต็มซึ่งกำหนดขึ้นจากข้อมูลเชิงประจักษ์นั้นสร้างความสับสนให้กับนักวิทยาศาสตร์ ตัวอย่างเช่น ตัวอย่างคลอรีน ประกอบด้วย คลอรีน-35 75.8% และคลอรีน-37 24.2% ทำให้มีมวลอะตอมเฉลี่ย 35.5 ดาลตัน

ตามทฤษฎีจักรวาลวิทยา ที่ได้รับการยอมรับโดยทั่วไป ไอโซโทปของไฮโดรเจนและฮีเลียม ไอโซโทปของลิเธียมและเบริลเลียมในปริมาณเล็กน้อย และอาจรวมถึงโบรอนบางส่วนเท่านั้นที่ถูกสร้างขึ้นในบิ๊กแบงในขณะที่นิวไคลด์อื่นๆ ทั้งหมดถูกสังเคราะห์ขึ้นในภายหลัง ในดาวฤกษ์และซูเปอร์โนวา และในปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคพลังงานสูง เช่น รังสีคอสมิก กับนิวไคลด์ที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้ (ดูรายละเอียดของกระบวนการต่างๆ ที่เชื่อว่าเป็นต้นเหตุของการสร้างไอโซโทปได้ในหัวข้อการสังเคราะห์นิวเคลียส) ปริมาณของไอโซโทปบนโลกเป็นผลมาจากปริมาณที่เกิดขึ้นจากกระบวนการเหล่านี้ การแพร่กระจายไปทั่วกาแล็กซี และอัตราการสลายตัวของไอโซโทปที่ไม่เสถียร หลังจากที่ระบบสุริยะ รวมตัวกันครั้งแรก ไอโซโทปก็ถูกกระจายใหม่ตามมวล และองค์ประกอบไอโซโทปของธาตุต่างๆ ก็แตกต่างกันเล็กน้อยในแต่ละดาวเคราะห์ ซึ่งบางครั้งทำให้สามารถติดตามที่มาของอุกกาบาตได้

มวลอะตอมของไอโซโทป (นิวไคลด์) ถูกกำหนดโดยหลักจากเลขมวลอะตอม (เช่น จำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียส) มีการปรับแก้เล็กน้อยเนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส (ดูที่ความบกพร่องของมวล ) ความแตกต่างเล็กน้อยของมวลระหว่างโปรตอนและนิวตรอน และมวลของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับอะตอม ซึ่งเป็นผลมาจากอัตราส่วนอิเล็กตรอนต่อนิวคลีออนที่แตกต่างกันในแต่ละไอโซโทป

เลขมวลเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติในทางกลับกัน มวลอะตอมวัดโดยใช้หน่วยดาลตัน (สัญลักษณ์ Da) ซึ่งกำหนดขึ้นจากมวลของอะตอมคาร์บอน-12 เรียกอีกอย่างว่าหน่วยมวลอะตอมรวม (สัญลักษณ์ u)

มวลอะตอมของไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติของธาตุหนึ่งๆ จะเป็นตัวกำหนดน้ำหนักอะตอมมาตรฐานของธาตุนั้น เมื่อธาตุนั้นมี ไอโซโทปอยู่ Nชนิด จะใช้สูตรด้านล่างนี้ในการคำนวณมวลอะตอมเฉลี่ย: ${\displaystyle {\overline {m}}_{a}}$

${\displaystyle {\overline {m}}_{a}=m_{1}x_{1}+m_{2}x_{2}+...+m_{N}x_{N}}$

โดยที่m ₁ , m ₂ , ..., m _Nคือมวลอะตอมของไอโซโทปแต่ละตัว และx ₁ , ..., x _Nคือความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของไอโซโทปเหล่านี้

มีการประยุกต์ใช้หลายอย่างที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของไอโซโทปต่างๆ ของธาตุหนึ่งๆการแยกไอโซโทปเป็นความท้าทายทางเทคโนโลยีที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียมหรือพลูโทเนียม ธาตุเบา เช่น ลิเธียม คาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน มักจะแยกได้โดยการแพร่กระจายของสารประกอบต่างๆ เช่น CO และ NO การแยกไฮโดรเจนและดิวเทอเรียมนั้นผิดปกติ เพราะอาศัยคุณสมบัติทางเคมีมากกว่าคุณสมบัติทางกายภาพ ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการซัลไฟด์ของเกิร์ดเลอร์ไอโซโทปของยูเรเนียมได้รับการแยกในปริมาณมากโดยการแพร่กระจายของก๊าซ การเหวี่ยงแยกด้วยก๊าซ การแยกด้วยการแตกตัวเป็นไอออนด้วยเลเซอร์ และ (ในโครงการแมนฮัตตัน ) โดยวิธี สเปกโทรเมตรีมวลแบบผลิตจำนวนมาก

• การวิเคราะห์ไอโซโทปคือการหาค่าลักษณะเฉพาะของไอโซโทปซึ่งก็คือความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของไอโซโทปของธาตุที่กำหนดในตัวอย่างเฉพาะ การวิเคราะห์ไอโซโทปมักทำโดยใช้สเปกโทรเมตรีมวลอัตราส่วนไอโซโทป โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สำหรับสารชีวภาพอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญของไอโซโทปของ C, N และ O การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวมีการใช้งานที่หลากหลาย เช่น การตรวจจับการปลอมปนในผลิตภัณฑ์อาหาร^{[ 37 ]}หรือแหล่งกำเนิดทางภูมิศาสตร์ของผลิตภัณฑ์โดยใช้ไอโซสเคปการระบุอุกกาบาตบางชนิดว่ามีต้นกำเนิดมาจากดาวอังคารนั้นขึ้นอยู่กับส่วนหนึ่งของลักษณะเฉพาะของไอโซโทปของก๊าซติดตามที่มีอยู่ในนั้น^{[ 38 ]}
• การแทนที่ไอโซโทปสามารถใช้เพื่อกำหนดกลไกของปฏิกิริยาเคมีผ่านปรากฏการณ์ไอโซโทปจลนศาสตร์ได้
• การประยุกต์ใช้ทั่วไปอีกอย่างหนึ่งคือการติดฉลากไอโซโทปการใช้ไอโซโทปที่ผิดปกติเป็นตัวติดตามหรือเครื่องหมายในปฏิกิริยาเคมี^{[ 39 ]}โดยปกติแล้ว อะตอมของธาตุที่กำหนดจะไม่สามารถแยกแยะออกจากกันได้ อย่างไรก็ตาม โดยการใช้ไอโซโทปที่มีมวลต่างกัน แม้แต่ไอโซโทปเสถียร ที่ไม่เป็นกัมมันตรังสี ก็สามารถแยกแยะได้ด้วยสเปกโทรเมตรีมวลหรือสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดตัวอย่างเช่น ใน 'การติดฉลากไอโซโทปเสถียรด้วยกรดอะมิโนในการเพาะเลี้ยงเซลล์ ( SILAC )' จะใช้ไอโซโทปเสถียรเพื่อหาปริมาณโปรตีนหากใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสี ก็สามารถตรวจจับได้ด้วยรังสีที่ปล่อยออกมา (เรียกว่าการติดฉลากไอโซโทปกัมมันตรังสี )
• ไอโซโทปถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการหาความเข้มข้นของธาตุหรือสารต่างๆ โดยใช้ วิธี การเจือจางไอโซโทปซึ่งจะนำสารประกอบที่มีการแทนที่ด้วยไอโซโทปในปริมาณที่ทราบแล้วมาผสมกับตัวอย่าง จากนั้นจึงทำการวิเคราะห์หาค่าไอโซโทปของส่วนผสมที่ได้โดยใช้เครื่องแมสสเปกโทรเมตรี

• เทคนิคที่คล้ายคลึงกับการติดฉลากด้วยไอโซโทปรังสีคือการหาอายุด้วยวิธีทางรังสีวิทยา : โดยใช้ครึ่งชีวิต ที่ทราบ ของธาตุที่ไม่เสถียร เราสามารถคำนวณระยะเวลาที่ผ่านไปนับตั้งแต่มีไอโซโทปความเข้มข้นที่ทราบอยู่ ตัวอย่างที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายที่สุดคือการหาอายุด้วยคาร์บอนกัมมันตรังสีซึ่งใช้ในการกำหนดอายุของวัสดุที่มีคาร์บอนเป็น องค์ประกอบ
• สเปกโทรสโกปีหลายรูปแบบอาศัยคุณสมบัติทางนิวเคลียร์เฉพาะของไอโซโทปบางชนิด ทั้งไอโซโทปกัมมันตรังสีและไอโซโทปเสถียร ตัวอย่างเช่น สเปกโทรสโก ปีนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR) สามารถใช้ได้เฉพาะกับไอโซโทปที่มีสปินนิวเคลียร์ไม่เป็นศูนย์เท่านั้น นิ วไคลด์ที่ใช้กันทั่วไปในสเปกโทรสโกปี NMR ได้แก่^1H , ^2D , ^15N , ^13Cและ^31P
• สเปกโทรสโกปีแบบเมิสส์บาวเออร์ยังอาศัยการเปลี่ยนสถานะนิวเคลียร์ของไอโซโทปเฉพาะ เช่น^57Feด้วย
• ไอโซโทปรังสีมีประโยชน์สำคัญหลายประการ การผลิต พลังงานนิวเคลียร์และ การพัฒนา อาวุธนิวเคลียร์จำเป็นต้องใช้ไอโซโทปเฉพาะในปริมาณมากเวชศาสตร์นิวเคลียร์และรังสีรักษาใช้ไอโซโทปรังสีในการวินิจฉัยและรักษาโรคตามลำดับ

• ความอุดมสมบูรณ์ของธาตุเคมี
• เครื่องสเปกโทรเมตรมวลเบนบริดจ์
• ร่องรอยทางภูมิศาสตร์
• อุทกวิทยาไอโซโทป
• ไอโซโทปเมอร์
• ไอโซเมอร์นิวเคลียร์
• รายชื่อนิวไคลด์
• รายการอนุภาค
• สเปกโทรเมตรีมวล
• วัสดุอ้างอิงสำหรับการวิเคราะห์ไอโซโทปเสถียร
• ตารางธาตุ

• เว็บไซต์ Nucleonica ซึ่งเป็นพอร์ทัลด้านวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์
• แผนภูมิไอโซโทปของคาร์ลสรูห์
• พอร์ทัล ศูนย์ข้อมูลนิวเคลียร์แห่งชาติ (NNDC) เป็นแหล่งรวบรวมข้อมูลและโปรแกรมวิเคราะห์ฟรีขนาดใหญ่
• ศูนย์พัฒนาไอโซโทปแห่งชาติทำหน้าที่ประสานงานและบริหารจัดการการผลิต การจัดหา และการแจกจ่ายไอโซโทป รวมถึงข้อมูลอ้างอิงสำหรับชุมชนไอโซโทป
• โครงการ พัฒนาและผลิตไอโซโทปเพื่อการวิจัยและการประยุกต์ใช้ (IDPRA)เป็นโครงการของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ด้านการผลิตไอโซโทปและการวิจัยและพัฒนาการผลิตไอโซโทป
• หน้าแรกของ องค์การ พลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (IAEA) ซึ่งเป็นหน่วยงานหนึ่งของสหประชาชาติ (UN)
• ตารางแสดง น้ำหนักอะตอมและองค์ประกอบไอโซโทปของธาตุทั้งหมด (ข้อมูลจาก NIST - สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ )
• Atomgewichte, Zerfallsenergien และ Halbwertszeiten aller ไอโซโทป
• สำรวจตารางไอโซโทปที่LBNL
• งานวิจัยและข้อมูลเกี่ยวกับไอโซโทปในปัจจุบัน isotope.info
• การเตรียมความพร้อมและการรับมือกับเหตุฉุกเฉิน: ไอโซโทปรังสีโดย CDC ( ศูนย์ควบคุมและป้องกันโรค )
• แผนภูมิธาตุนิวไคลด์เก็บถาวรเมื่อ 10 ตุลาคม 2018 ที่Wayback Machineแผนภูมิธาตุนิวไคลด์แบบโต้ตอบ (ศูนย์ข้อมูลนิวเคลียร์แห่งชาติ)
• แผนภูมิเชิงโต้ตอบของนิวไคลด์ ไอโซโทป และตารางธาตุเก็บถาวรเมื่อวันที่ 30 กันยายน 2008 ที่Wayback Machine
• แผนภูมิแสดงข้อมูลไอโซโทป ของนิวไคลด์แบบเรียลไทม์ – IAEA
• บรรณานุกรมพร้อมคำอธิบายเกี่ยวกับไอโซโทปจากห้องสมุดดิจิทัล Alsos สำหรับประเด็นนิวเคลียร์
• หุบเขาแห่งเสถียรภาพ (วิดีโอ) – การ "บิน" เสมือนจริงผ่านภาพจำลองสามมิติของแผนภูมิไอโซโทปนิวไคลด์ โดยCEA (ฝรั่งเศส)