解题思路：同位素的概念：具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同原子互为同位素，以此来解答．
A、O2和O3是氧元素的不同单质，不是原子，不是同位素，二者互称为同素异形体，故A错误；
B、甲烷和乙烷结构相似，分子组成上相差一个CH2，均属于烷烃，互称为同系物，故B错误；
C、126C和146C属于碳元素的两种不同核素，互称为同位素，故C正确；
D、H2O和H2O2是氢的两种氧化物，不是原子，不符合同位素的概念，故D错误；
故选：C．
点评：
本题考点： 同位素及其应用．
考点点评： 本题考查同位素的判断，明确同位素的研究对象是原子是解答本题的关键，难度不大，注意“四同”概念的区分，同素异形体是相同元素组成，不同形态的单质．同位素：同一元素的不同核素．同系物：结构相似，分子组成上相差一个或若干个CH2的有机化合物．同分异构体：分子式相同结构不同的化合物．