同位素是指具有相同核电荷但不同原子质量的原子（核素）称为同位素.自19世纪末发现了放射性以后,到20世纪初,人们发现的放射性元素已有30多种,而且证明,有些放射性元素虽然放射性显著不同,但化学性质却完全一样.1910年英国化学家F.索迪提出了一个假说,化学元素存在着相对原子质量和放射性不同而其他物理化学性质相同的变种,这些变种应处于周期表的同一位置上,称做同位素.不久,就从不同放射性元素得到一种铅的相对原子质量是206.08,另一种则是208.1897年英国物理学家W.汤姆逊发现了电子,1912年他改进了测电子的仪器,利用磁场作用,制成了一种磁分离器（质谱仪的前身）.当他用氖气进行测定时,无论氖怎样提纯,在屏上得到的却是两条抛物线,一条代表质量为20的氖,另一条则代表质量为22的氖.这就是第一次发现的稳定同位素,即无放射性的同位素.当F.W.阿斯顿制成第一台质谱仪后,进一步证明,氖确实具有原子质量不同的两种同位素,并从其他70多种元素中发现了200多种同位素.到目前为止,己发现的元素有109种,只有20种元素未发现稳定的同位素,但所有的元素都有放射性同位素.大多数的天然元素都是由几种同位素组成的混合物,稳定同位素约300多种,而放射性同位素竟达1500种以上.
1932年提出原子核的中子一质子理论以后,才进一步弄清,同位素就是一种元素存在着质子数相同而中子数不同的几种原子.由于质子数相同,所以它们的核电荷和核外电子数都是相同的（质子数=核电荷数=核外电子数）,并具有相同电子层结构.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,这就造成了各原子质量会有所不同,涉及原子核的某些物理性质（如放射性等）,也有所不同.一般来说,质子数为偶数的元素,可有较多的稳定同位素,而且通常不少于3个,而质子数为奇数的元素,一般只有一个稳定核素,其稳定同位素从不会多于两个,这是由核子的结合能所决定的.
同位素的发现,使人们对原子结构的认识更深一步.这不仅使元素概念有了新的含义,而且使相对原子质量的基准也发生了重大的变革,再一次证明了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.