Der Kern jedes atoms enthält Protonen und Neutronen. Während die Anzahl der Protonen das Element definiert (z. B. Wasserstoff,Kohlenstoff usw.) und die Summe der Protonen und Neutronen ergibt die Atommasse, die Anzahl der Neutronen definiert das Isotop dieses Elements. Zum Beispiel hat der meiste Kohlenstoff (≈ 99 %) 6 Protonen und 6 Neutronen und wird als 12C geschrieben, um seine Atommasse zu reflektieren., Etwa 1 % des Kohlenstoffs in der Biosphäre der Erde weist jedoch 6 Protonen und 7 Neutronen (13C) auf, die das schwerstabile Isotop dieses wichtigen Elements bilden. Stabile Isotope zerfallen nicht in andere Elemente. Im Gegensatz dazu sind radioaktive Isotope (z. B. 14C) instabil und zerfallen in andere Elemente.
Die weniger häufig vorkommenden stabilen Isotope eines Elements haben ein oder zwei zusätzliche Neutronen als Protonen und sind somit schwerer als das häufigere stabile Isotop für diese Elemente., Sowohl schwere als auch leichte stabile Isotope nehmen frei an chemischen Reaktionen sowie an biologischen und geochemischen Prozessen teil, aber die Geschwindigkeit, mit der schwere und leichte stabile Isotope während physikalischer oder chemischer Reaktionen reagieren, unterscheidet sich. Die chemischen Bindungen und Anziehungskräfte von Atomen mit schweren stabilen Isotopen sind stärker als die in den häufigeren, leichteren Isotopen eines Elements. Infolgedessen reagieren die schwereren Isotope langsamer als die leichteren Isotope, was zu einer Isotopentrennung oder Fraktionierung zwischen Reaktant und Produkt sowohl bei physikalischen als auch bei biologischen Reaktionen führt., Die Fraktionierung der schweren und leichten stabilen Isotope ist wichtig, da sie a) eine Variation des stabilen Isotopenverhältnisses verschiedener Elementpools erzeugt und b) ein Isotopensignal erzeugt, das die Existenz oder Größe von Schlüsselprozessen anzeigen kann, die mit dem Elementkreislauf verbunden sind.