如果两个原子的质子数相同，但中子数不同，它们仍然具有相同的原子序列，是元素周期表中相同位置的元素，所以称为同位素。放射性同位素称为“放射性同位素”，非放射性同位素称为“稳定同位素”。不是所有的同位素都有放射性。
自19世纪末发现放射性以来，到20世纪初，已经发现了30多种放射性元素，并且已经证明一些放射性元素虽然放射性显著不同，但化学性质相同。
1910年，英国化学家索迪提出了一个假说，即存在多种化学元素，它们具有不同的相对原子量和放射性，但具有相同的物理和化学性质。这些品种应该在元素周期表的同一位置，叫做同位素。
很快，一种铅的相对原子质量是206.08，另一种是208，来自不同的放射性元素。1997年，英国物理学家w·汤姆逊发现了电子。1912年，他改进了测量电子的仪器，并利用磁场制造了磁选机(质谱仪的前身)。当他用氖气测量时，无论氖气如何提纯，屏幕上都得到两条抛物线，一条代表质量为20的氖气，一条代表质量为22的氖气。这是首次发现的稳定同位素，即非放射性同位素。当F.W .阿斯顿制造第一台质谱仪时，进一步证明了氖确实有两种不同原子质量的同位素，从70多种其他元素中发现了200多种同位素。到目前为止，已经发现了109种元素，只有20种元素没有发现稳定同位素，但所有元素都有放射性同位素。大多数自然元素是几种同位素的混合物，大约有300种稳定同位素和1500多种放射性同位素。
1932年原子核的中子-质子理论提出后，进一步明确了同位素是由几个质子数相同但中子数不同的原子组成的元素。由于质子数相同，它们的核电荷和核外电子数相同(质子数=核电荷数=核外电子数)，它们具有相同的电子层结构。因此，同位素的化学性质是相同的，但由于它们的中子数不同，每个原子的质量也会不同，一些物理性质(如放射性等。)涉及到细胞核也会不一样。一般来说，质子数为偶数的元素可以有更多的稳定同位素，通常不少于三个，而质子数为奇数的元素通常只有一个稳定核素，其稳定同位素绝不会超过两个，这是由核子的结合能决定的。
同位素的发现加深了人们对原子结构的认识。这不仅赋予了元素概念新的含义，也极大地改变了相对原子质量的基准。再次证明决定元素化学性质的是质子数(核电荷数)，而不是原子质量数。
