Isotopen van hetzelfde element hebben hetzelfde aantal protonen, maar een verschillend aantal neutronen. Neutronen zijn subatomaire deeltjes die bijdragen aan de totale massa van een atoom, maar de chemische eigenschappen ervan niet beïnvloeden. Als gevolg hiervan hebben isotopen van hetzelfde element een zeer vergelijkbaar chemisch gedrag, maar kunnen ze enigszins verschillende fysische eigenschappen hebben, zoals dichtheid.

Dichtheid wordt gedefinieerd als massa per volume-eenheid. Omdat isotopen hetzelfde aantal protonen hebben, zullen ze een vergelijkbaar aantal elektronen in een baan om de kern hebben. Dit betekent dat de algehele lading van het atoom hetzelfde blijft. De toevoeging van neutronen vergroot echter de massa van het atoom zonder de grootte ervan significant te veranderen. Als gevolg hiervan zullen isotopen met meer neutronen een hogere dichtheid hebben dan isotopen met minder neutronen.

Denk bijvoorbeeld aan koolstof-12 en koolstof-13. Koolstof-12 heeft 6 protonen, 6 neutronen en 6 elektronen, terwijl koolstof-13 6 protonen, 7 neutronen en 6 elektronen heeft. De toevoeging van één neutron verhoogt de massa van koolstof-13 met ongeveer 1,6%, maar verandert de grootte ervan niet significant. Als gevolg hiervan is koolstof-13 dichter dan koolstof-12.

Het verschil in dichtheid tussen isotopen kan worden gebruikt om ze te scheiden. Dit gebeurt via een proces dat isotopenscheiding wordt genoemd en dat in een verscheidenheid aan toepassingen wordt gebruikt, zoals de productie van splijtstof en de verrijking van uranium voor gebruik in kernreactoren.