Radioizotopii sau radionuclizii sunt forme instabile de materie elementară, fie făcute de om, fie găsite în natură. Toate sunt supuse unui proces spontan de descompunere radioactivă prin emisia de particule alfa și beta, raze gamma și multe altele. Toate elementele din tabelul periodic cu numere atomice mai mari de 83 sunt radioizotopi. Există peste 800 de radioizotopi cunoscuți care au fost identificați, cu alți 275 de izotopi existenți în general din cele 81 de elemente stabile din tabelul periodic.
Izotopii sunt forme ale unui element cu un număr variabil de neutroni în nucleul atomului. Pe măsură ce radioizotopii se descompun, ei se transformă încet în alți izotopi ai aceluiași element prin câștigarea sau pierderea de neutroni și, în cele din urmă, devin alte elemente în întregime. Acest lucru depinde de rata lor de degradare, care este cunoscută ca timp de înjumătățire. Utilizarea radioizotopilor depind adesea de timpul de înjumătățire al acestora, care este durata de timp pentru care jumătate din masa unui material radioactiv se descompune într-un alt material. Carbonul, care este stabil la 12C și 13C, este un radioizotop la 8C sau 14C, carbonul-14 având cea mai lentă rată de descompunere la un timp de înjumătățire de 5,700 de ani. Din acest motiv, și datorită faptului că se găsește în natură, 14C este folosit pentru datarea cu carbon a fosilelor și a artefactelor umane din societățile antice.
Într-un atom instabil, echilibrul proton/neutron este ușor diferit de forma sa stabilă, ceea ce duce la dezechilibrul energiei de legare a nucleului. Pe măsură ce elementele devin mai grele, în nucleu trebuie să existe mai mulți neutroni pentru a echilibra forțele de repulsie proton-proton. De exemplu, uraniul-238 este stabil, deoarece are 92 de protoni și 146 de neutroni într-un nucleu. Radioizotopii nucleari precum uraniul-235 sunt instabili, cu 92 de protoni și 143 de neutroni, deci se degradează foarte lent, cu un timp de înjumătățire de 700 de milioane de ani. Forțarea uraniului-235 să se descompună într-un ritm mai rapid prin bombardamentul cu neutroni are ca rezultat crearea unui nucleu foarte instabil care, în esență, se dezintegra și începe o reacție în lanț cunoscută sub numele de fisiune.
Radioizotopii medicali precum iodul se află și în afara a ceea ce este cunoscut sub numele de bandă de stabilitate, dar, în acest caz, oferă caracteristici benefice. Iodul-131 are patru neutroni în plus față de omologul său stabil și are un timp de înjumătățire de opt zile. Deoarece iodul poate fi ingerat în siguranță, este utilizat în medicină ca formă de trasor sau agent de imagistică. Iodul-125 este, de asemenea, utilizat prin injectarea directă în tumori într-o procedură cunoscută sub numele de brahiterapie, pentru a distruge lent celulele tumorale prin radiații, cu un timp de înjumătățire de 60 de zile. Radioizotopii din aplicații medicale includ, de asemenea, iridiu-192 cu un timp de înjumătățire de 72 de zile și paladiu-103 cu un timp de înjumătățire de 17 zile.