Il nucleo di ciascun atomo contiene protoni e neutroni. Mentre il numero di protoni definisce l’elemento (ad esempio, idrogeno, carbonio, ecc.) e la somma dei protoni e dei neutroni dà la massa atomica, il numero di neutroni definisce l’isotopo di quell’elemento. Ad esempio, la maggior parte del carbonio (≈ 99 %) ha 6 protoni e 6 neutroni ed è scritto come 12C per riflettere la sua massa atomica., Tuttavia, circa l ‘ 1% del carbonio nella biosfera terrestre ha 6 protoni e 7 neutroni (13C) che formano l’isotopo stabile pesante di questo importante elemento. Gli isotopi stabili non decadono in altri elementi. Al contrario, gli isotopi radioattivi (ad esempio, 14C) sono instabili e decadono in altri elementi.
Gli isotopi stabili meno abbondanti di un elemento hanno uno o due neutroni aggiuntivi rispetto ai protoni, e quindi sono più pesanti dell’isotopo stabile più comune per quegli elementi., Sia gli isotopi stabili pesanti che leggeri partecipano liberamente alle reazioni chimiche e ai processi biologici e geochimici, ma la velocità con cui gli isotopi stabili pesanti e leggeri reagiscono durante le reazioni fisiche o chimiche differisce. I legami chimici e le forze attrattive degli atomi con isotopi stabili pesanti sono più forti di quelli nei più comuni, isotopi più leggeri di un elemento. Di conseguenza, gli isotopi più pesanti reagiscono più lentamente rispetto agli isotopi più leggeri che portano alla separazione isotopica o al frazionamento tra reagente e prodotto sia nelle reazioni fisiche che biologiche., Il frazionamento degli isotopi stabili pesanti e leggeri è importante perché a) produce variazioni nel rapporto isotopico stabile di diversi pool di elementi e b) stabilisce un segnale isotopico che può indicare l’esistenza o la grandezza dei processi chiave coinvolti nel ciclo elementare.