Radioisotoopit tai radionuklidit ovat epästabiileja alkuaineita, jotka ovat joko ihmisen tekemiä tai luonnossa esiintyviä. Ne kaikki käyvät läpi spontaanin radioaktiivisen hajoamisprosessin alfa- ja beetahiukkasten, gammasäteiden ja muun päästön kautta. Kaikki jaksollisen järjestelmän elementit, joiden atomiluku on suurempi kuin 83, ovat radioisotooppeja. Tunnettuja radioisotooppeja on yli 800, ja lisäksi 275 isotooppia on yleensä jaksollisen järjestelmän 81 vakaan elementin joukosta.
Isotoopit ovat alkuaineen muotoja, joissa on eri määrä neutroneja atomin ytimessä. Kun radioisotoopit hajoavat, ne muuttuvat hitaasti muiksi saman alkuaineen isotoopeiksi hankkimalla tai menettämällä neutroneja, ja lopulta niistä tulee kokonaan muita alkuaineita. Tämä riippuu niiden hajoamisnopeudesta, joka tunnetaan puoliintumisaikana. Radioisotooppien käyttö riippuu usein niiden puoliintumisajasta, joka on aika, jonka kuluessa puolet radioaktiivisen materiaalin massasta hajoaa toiseksi aineeksi. Hiili, joka on stabiili 12 ° C: ssa ja 13 ° C: ssa, on radioisotooppi 8 ° C: ssa tai 14 ° C: ssa. Tästä syystä ja koska se esiintyy luonnossa, 14C: tä käytetään fossiilien ja ihmisen esineiden hiilen deittailuun muinaisista yhteiskunnista.
Epävakaassa atomissa protoni/neutronitasapaino on hieman erilainen kuin vakaa muoto, jolloin ytimen sitoutumisenergia on epätasapainossa. Kun elementit rasittuvat, ytimessä on oltava enemmän neutroneja protoni-protoni-karkotusvoimien tasapainottamiseksi. Esimerkiksi uraani-238 on vakaa, koska sen ytimessä on 92 protonia ja 146 neutronia. Ydinradioisotoopit, kuten uraani-235, ovat kuitenkin epävakaita 92 protonin ja 143 neutronin kanssa, joten ne hajoavat hyvin hitaasti, niiden puoliintumisaika on 700 miljoonaa vuotta. Uraani-235: n pakottaminen hajoamaan nopeammin neutronipommituksella johtaa erittäin epävakaan ytimen syntymiseen, joka olennaisesti puhaltaa itsensä erilleen ja käynnistää ketjureaktion, joka tunnetaan halkeamana.
Lääketieteelliset radioisotoopit, kuten jodi, ovat myös vakausvyöhykkeen ulkopuolella, mutta tässä tapauksessa ne tarjoavat hyödyllisiä ominaisuuksia. Jodi-131: ssä on neljä ylimääräistä neutronia kuin sen vakaa vastine, ja sen puoliintumisaika on kahdeksan päivää. Koska jodi voidaan niellä turvallisesti, sitä käytetään lääketieteessä merkkiaineena tai kuvantamisaineena. Jodi-125: tä käytetään myös injektoimalla suoraan kasvaimiin brachytherapy-menetelmässä tuhota kasvainsolut hitaasti säteilyllä, jonka puoliintumisaika on 60 päivää. Radioisotooppeja lääketieteellisissä sovelluksissa ovat myös iridium-192, jonka puoliintumisaika on 72 päivää, ja palladium-103, jonka puoliintumisaika on 17 päivää.