jądro każdego atomu zawiera protony i neutrony. Natomiast liczba protonów określa pierwiastek (np. Wodór, węgiel itp.), a suma protonów i neutronów daje masę atomową, liczba neutronów określa izotop tego pierwiastka. Na przykład większość węgla (≈ 99 %) ma 6 protonów i 6 neutronów i jest zapisywana jako 12C, aby odzwierciedlić jego masę atomową., Jednak około 1% węgla w biosferze Ziemi ma 6 protonów i 7 neutronów (13C) tworzących ciężki stabilny izotop tego ważnego pierwiastka. Izotopy stabilne nie rozpadają się na inne pierwiastki. Natomiast izotopy promieniotwórcze (np. 14C) są niestabilne i rozpadają się na inne pierwiastki.
mniej obfite stabilne izotopy pierwiastka mają jeden lub dwa dodatkowe neutrony niż protony, a zatem są cięższe od bardziej powszechnych stabilnych izotopów dla tych pierwiastków., Zarówno ciężkie, jak i lekkie stabilne izotopy uczestniczą swobodnie w reakcjach chemicznych oraz w procesach biologicznych i geochemicznych, ale szybkość, z jaką ciężkie i lekkie stabilne izotopy reagują podczas reakcji fizycznych lub chemicznych jest różna. Wiązania chemiczne i siły przyciągania atomów z ciężkimi stabilnymi izotopami są silniejsze niż w bardziej powszechnych, lżejszych izotopach pierwiastka. W rezultacie cięższe izotopy reagują wolniej niż lżejsze izotopy, prowadząc do separacji izotopowej lub frakcjonowania między reaktantem a produktem zarówno w reakcjach fizycznych, jak i biologicznych., Frakcjonowanie ciężkich i lekkich stabilnych izotopów jest ważne, ponieważ a) wytwarza zmiany w stosunku stabilnego izotopu różnych basenów pierwiastków i b) ustanawia sygnał izotopowy, który może wskazywać na istnienie lub wielkość kluczowych procesów związanych z cyklem pierwiastkowym.