Le noyau de chaque atome contient des protons et des neutrons. Alors que le nombre de protons définit l’élément (par exemple, hydrogène, carbone, etc.) et la somme des protons et des neutrons donne la masse atomique, le nombre de neutrons définit les isotopes de cet élément. Par exemple, la plupart du carbone (≈ 99 %) a 6 protons et 6 neutrons et est écrit comme 12C pour refléter sa masse atomique., Cependant, environ 1% du carbone dans la biosphère terrestre contient 6 protons et 7 neutrons (13C) formant l’isotope stable lourd de cet élément important. Les isotopes stables ne se désintègrent pas en d’autres éléments. En revanche, les isotopes radioactifs (p. ex., 14C) sont instables et se désintègrent en d’autres éléments.
les isotopes stables moins abondants d’un élément ont un ou deux neutrons supplémentaires que les protons, et sont donc plus lourds que l’isotope stable le plus commun pour ces éléments., Les isotopes stables lourds et légers participent librement aux réactions chimiques et aux processus biologiques et géochimiques, mais la vitesse à laquelle les isotopes stables lourds et légers réagissent lors de réactions physiques ou chimiques diffère. Les liaisons chimiques et les forces d’attraction des atomes avec des isotopes stables lourds sont plus fortes que celles des isotopes plus communs et plus légers d’un élément. En conséquence, les isotopes plus lourds réagissent plus lentement que les isotopes plus légers, ce qui entraîne une séparation ou un fractionnement isotopique entre le réactif et le produit dans les réactions physiques et biologiques., Le fractionnement des isotopes stables lourds et légers est important car il a) produit une variation du rapport isotopique stable des différents pools d’éléments et b) établit un signal isotopique qui peut indiquer l’existence ou l’ampleur des processus clés impliqués dans le cycle élémentaire.