Les isotopes d’un même élément chimique ont le même nombre de protons (numéro atomique Z identique).

En général, un corps simple est formé de plusieurs isotopes qui ont des masses atomiques (A) différentes (en fonction du nombre de neutrons = N). Pour l’hydrogène, l’isotope le plus fréquent a pour paramètre A = 1, puisque Z = 1 et N = 0, alors que le deutérium, est l’isotope de l’hydrogène qui possède un neutron (N = 1), et donc A = 2.

Les différents isotopes d’un même élément ont les mêmes propriétés chimiques (créées par les électrons), mais des propriétés physiques différentes, tout en sachant que celles-ci dépendant aussi des électrons. Les propriétés physiques sont : la stabilité du noyau (radioactif ou non), les températures associées aux changements d’état, etc. L’instabilité a pour origine la compétition entre les forces attractives et les forces répulsives à l’intérieur du noyau.

Pour le carbone,

• l’isotope 12 a la proportion la plus élevée dans la nature (98,89 %) ;
• l’isotope 13 est stable et il constitue 1,1 % du carbone terrestre ;
• l’isotope 14 est radioactif. On n’en trouve que des traces. La désintégration d’un noyau est aléatoire et spontanée. Un neutron se désintègre en un proton et un électron. Le noyau résultant est alors composé de 6 + 1 = 7 protons et 7 neutrons. Le carbone 14 ($_{6}^{14}C$) se désintègre donc en azote 14 ($_{7}^{14}N$) + un électron (e^-). La méthode de datation repose sur cette émission d’électrons (radioactivité β). Cette propriété est à la base d’une méthode de datation d’objets anciens.

À l’inverse, les atomes d’azote 14 qui composent la haute atmosphère interceptent une partie du rayonnement cosmique : des neutrons percutent les atomes et les transforment en atomes de carbone 14.

Lors d’un accident nucléaire, de la matière radioactive risque d’être libérée dans l’atmosphère. On peut y trouver les isotopes radioactifs de : césium 137, strontium 90, et d’iode 131. Ce dernier représente un danger puisqu’il se fixe dans les cellules de la thyroïde, exposant cette glande aux effets des rayons bêta.

Les pays, ayant développé les centrales nucléaires il y a plusieurs dizaines d’années, se trouvent aujourd’hui confrontés à la nécessité de devoir démanteler des installations devenues obsolètes et inadaptables aux exigences actuelles de sécurité. De nombreuses parties de ces installations étant hautement radioactives, contaminées par des radioéléments à grande durée de vie, la question est de savoir comment stocker ces matériaux.

La découverte des différences entre les propriétés physiques des isotopes a permis d’accomplir des progrès scientifiques, thérapeutiques, et technologiques. Ce fut le cas pour :

• la photosynthèse pour laquelle, dans un dispositif expérimental utilisant de l’eau (H₂O) et du dioxyde de carbone (CO₂) possédant chacun un isotope différent de l’oxygène : il a été montré que l’O₂ dégagé par l’activité photosynthétique provenait de l’H₂O et non de CO₂ ;
• la datation au carbone 14 qui a eu une importance considérable en archéologie ;
• l’iode radioactif (iode 131), qui peut être utilisé pour détruire les cellules cancéreuses quand la glande thyroïde est touchée par cette maladie. En effet, l’iode est nécessaire à la synthèse des hormones thyroïdiennes et il absorbé préférentiellement par cette glande. La difficulté de ce traitement, c’est que des cellules thyroïdiennes normales sont également détruites. En dehors du traitement, mais toujours en relation avec la thyroïde, cet isotope est utilisé pour déceler d’éventuelles anomalies (nodules) dans la glande.