Radioisotope oder Radionuklide sind instabile Formen elementarer Materie, die entweder vom Menschen hergestellt oder in der Natur gefunden werden. Sie alle durchlaufen einen spontanen radioaktiven Zerfall durch die Emission von Alpha- und Betateilchen, Gammastrahlen und mehr. Alle Elemente des Periodensystems mit Ordnungszahlen über 83 sind Radioisotope. Es gibt über 800 bekannte Radioisotope, die identifiziert wurden, wobei weitere 275 Isotope im Allgemeinen aus den 81 stabilen Elementen des Periodensystems existieren.
Isotope sind Formen eines Elements mit unterschiedlich vielen Neutronen im Atomkern. Wenn Radioisotope zerfallen, wandeln sie sich langsam in andere Isotope desselben Elements um, indem sie Neutronen gewinnen oder verlieren, und schließlich werden sie vollständig zu anderen Elementen. Dies hängt von ihrer Zerfallsrate ab, die als Halbwertszeit bekannt ist. Die Verwendung von Radioisotopen hängt oft von ihrer Halbwertszeit ab, d. h. der Zeitdauer, in der die Hälfte der Masse eines radioaktiven Materials in ein anderes Material zerfällt. Kohlenstoff, der bei 12C und 13C stabil ist, ist bei 8C oder 14C ein Radioisotop, wobei Kohlenstoff-14 mit einer Halbwertszeit von 5,700 Jahren die langsamste Zerfallsrate aufweist. Aus diesem Grund und aufgrund der Tatsache, dass es in der Natur vorkommt, wird 14C zur Kohlenstoffdatierung von Fossilien und menschlichen Artefakten aus alten Gesellschaften verwendet.
In einem instabilen Atom unterscheidet sich das Proton/Neutronen-Gleichgewicht geringfügig von seiner stabilen Form, was dazu führt, dass die Bindungsenergie des Kerns aus dem Gleichgewicht geraten ist. Wenn die Elemente schwerer werden, müssen mehr Neutronen im Kern vorhanden sein, um die Proton-Proton-Abstoßungskräfte auszugleichen. Uran-238 zum Beispiel ist stabil, weil es 92 Protonen und 146 Neutronen in einem Kern hat. Nukleare Radioisotope wie Uran-235 sind jedoch mit 92 Protonen und 143 Neutronen instabil, zerfallen also sehr langsam, mit einer Halbwertszeit von 700 Millionen Jahren. Wenn Uran-235 durch Neutronenbeschuss zu einem schnelleren Zerfall gezwungen wird, entsteht ein sehr instabiler Kern, der sich im Wesentlichen selbst auseinander sprengt und eine als Spaltung bekannte Kettenreaktion auslöst.
Medizinische Radioisotope wie Jod liegen ebenfalls außerhalb des sogenannten Stabilitätsbandes, bieten hier aber vorteilhafte Eigenschaften. Jod-131 hat vier zusätzliche Neutronen als sein stabiles Gegenstück und hat eine Halbwertszeit von acht Tagen. Da Jod sicher aufgenommen werden kann, wird es in der Medizin als Tracer oder Bildgebungsmittel verwendet. Jod-125 wird auch verwendet, indem es in einem als Brachytherapie bekannten Verfahren direkt in Tumoren injiziert wird, um Tumorzellen langsam durch Bestrahlung mit einer Halbwertszeit von 60 Tagen zu zerstören. Zu den Radioisotopen in medizinischen Anwendungen gehören auch Iridium-192 mit einer Halbwertszeit von 72 Tagen und Palladium-103 mit einer Halbwertszeit von 17 Tagen.