あらゆる原子は正の電荷を帯びた原子核と負の電荷を帯びた電子から構成されています。原子核は、さらに陽子と電気的に中性な中性子に分けられます。この内、陽子の数（＝原子番号）が元素としての性質を決めます。例えば、陽子が１つの元素（＝原子番号が１）が水素、２つの元素がヘリウムとなっています。同じ元素であれば陽子数は同じなのですが、同じ元素でも中性子の数が異なる原子があり、それを同位体と言います。例えば、水素の陽子数は１ですが、中性子が０個の水素、中性子が１個の水素、中性子が２個の水素があります。それぞれの同位体は、陽子と中性子の総数を質量数として元素記号の左上に書き表すのが慣例です（下図）。

　同じ元素（＝陽子数が同じ）であっても、半減期は核種ごとに違います。例えば、原子番号55のセシウム(Cs)には、質量数が134（＝中性子が79個）のCs、質量数が135（＝中性子が80個）のCs、質量数が137（＝中性子が82個）のCsが放射性同位体として知られていますが、134Csの半減期はおよそ2年、135Csの半減期は約230万年、137Csの半減期は約30年で、それぞれ同じ質量数のバリウム（原子番号56）へと壊変します。なお、放射壊変には様々な種類ががあり、娘核種のでき方（元素や質量数）もそれぞれ異なります。

　多くの方々は放射性同位体が悪い物だと思っているかも知れませんが、地球の歴史や古代文明について研究する際には重要な手段となります。例えば、地球は約46億年前に誕生したと言われていますが、どのようにして求められたのかご存知でしょうか？実は、質量数238のウランが壊変を繰り返して質量数206の鉛になることを利用しています。この手法を太陽系の起源物質である隕石に用いて年齢を求めると、45.67億年に収束します。さらに、質量数40のカリウムが半減期12.5億年で同じ質量数のアルゴンへと壊変すること、質量数87のルビジウムが半減期488億年で同じ質量数のストロンチウムに壊変すること、質量数147のサマリウムが半減期1060億年で質量数143のネオジムに壊変することなども利用されています。この様に、半減期が長い放射性同位体を用いることで地球の歴史を知る事ができるのです。一方で半減期がそれほど長くない核種、例えば半減期が5730年である質量数14の炭素などが考古学の分野に用いられています。数ある放射性同位体を上手く使うことで、地球や人類など様々な歴史を知る事ができるのです。

　多くの元素が複数の安定同位体を持っている事がお分かりいただけるかと思います。それぞれの元素において、同位体の存在割合は大まかに決まっています。例えば水素の場合、1Hが99.99%であるのに対し、2Hは0.01%しか地球上に存在しません（3Hは半減期12年の放射性同位体）。他にも、地球上の炭素（C）の98.93%は12Cで、残りの1.07%が13Cですし、酸素（O）の99.76%は16Oで、17Oと18Oがそれぞれ0.04%、0.2%となっています。しかし、様々な物質における安定同位体の存在割合が僅かに異なるという事が発見されました。安定同位体の存在割合の差はあまりにも小さいため、その差を1000倍し（1000分率）て表します。これを同位体比と言い、デルタ（δ）で表します。一般的に、質量数の大きい“重い”同位体に対する“軽い”同位体の比で表します。例えば炭素の場合は13C/12Cですし、酸素の場合は18O/16Oで、結果をそれぞれδ13C、δ18Oと表します。単位は、100分率がパーセントであるのに対し、1000分率なのでパーミル（‰）となります。

他の研究手法：

・希土類元素分析　→　希土類元素とは？

・化学種分析　→　XAFSとは？