Elemente haben eine bestimmte Anzahl von Protonen, die folglich ihre Ordnungszahl bestimmt. Alle Atome mit acht Protonen sind beispielsweise Sauerstoff. Die Anzahl der Neutronen kann jedoch für ein Atom desselben Elements variieren. Diese Variationen von Elementen mit gleicher Anzahl von Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen, werden als Isotope bezeichnet.

Die Massenzahl ist die Summe der Protonen und Neutronen. Die Isotope eines Elements haben also die gleiche Ordnungszahl, jedoch unterschiedliche Massezahlen. Die Atommasse eines Elements, oder das Atomgewicht ist ein gewichteter Mittelwert der Massen der Isotope des Elements. Der Mittelwert wird als gewichtet bezeichnet, weil er die relative Häufigkeit der verschiedenen Isotope in der Probe widerspiegelt. Die Masse der am häufigsten vorkommenden Isotope tragen also am stärksten zum Mittelwert bei.

In der Natur kommen verschiedene Elemente als mehrfache Isotope vor. Darunter sind unter anderem Kohlenstoff, Kalium und Uran. Im Periodensystem spiegelt die Atommasse eines Elements die relative Häufigkeit ihrer natürlich vorkommenden Isotope auf der Erde wider.

Über Isotope wird oft im Zusammenhang mit Radioaktivität gesprochen. Ein radioaktives Isotop ist im Wesentlichen ein Element mit einem instabilen Kern. Die meisten radioaktiven Elemente haben Ordnungszahlen von 84 oder höher. Andere Elemente besitzen Isotope, die nicht radioaktiv sind und in den meisten Fällen mindestens ein radioaktives Isotop, ein sogenanntes Radioisotop.

Um stabiler zu werden, setzen Radioisotope subatomare Partikel frei. In diesem Prozess, dem radioaktiven Zerfall, wird Energie als Strahlung abgegeben. Der radioaktive Zerfall kann die Anzahl der Protonen in einem Element verändern, wodurch sich seine Eigenschaften praktisch ändern.

Radioaktive Strahlung kann zur Bestimmung des Alters oder der Dicke verschiedener Materialien verwendet werden. In der Medizin wird sie zur Diagnose und Verfolgung von Krankheiten mit Hilfe von PET-Scannern sowie zur Behandlung von Krebs eingesetzt.