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以上定義中的原子是廣義的概念，指微觀粒子。質子數相同而中子數不同的同一元素的不同核素互稱為同位素。
例如氫有三種同位素，H氕、D氘（又叫重氫）、T氚（又叫超重氫）；碳有多種同位素，例如 12C、13C和14C（有放射性）等。
同位素元素圖
同位素是同一元素的不同原子，其原子具有相同數目的質子，但中子數目卻不同（例如氕、氘和氚，它們原子核中都有1個質子，但是它們的原子核中分別有0個中子、1個中子及2個中子，所以它們互為同位素）。
同位素具有相同原子序數的同一化學元素的兩種或多種原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化學性質幾乎相同（氕、氘和氚的性質有些微差異），但原子質量或質量數不同，從而其質譜性質、放射性轉變和物理性質（例如在氣態下的擴散本領）有所差異。同位素的表示是在該元素符號的左上角注明質量數（例如碳14，一般用14C來表示）。
在自然界中天然存在的同位素稱為天然同位素，人工合成的同位素稱為人造同位素。如果該同位素是有放射性的話，會被稱為放射性同位素。每一種元素都有放射性同位素。有些放射性同位素是自然界中存在的，有些則是用核粒子，如質子、a粒子或中子轟擊穩定的核而人為產生的。
同位素是指原子具有相同數目的質子，但卻有不同數目的中子的元素。例如氕、氘和氚，它們原子核中都有1個質子，但是它們的原子核中分別有0個中子，1個中子及2個中子，所以它們互為同位素。 其中，氕相對原子質量為1.007947，氘相對原子質量為2.274246，氚相對原子質量為3.023548，氘幾乎比氕重一倍，而氚則幾乎比氕重三倍。
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