Radioizotopi, ili radionuklidi, nestabilni su oblici elementarne tvari koje je stvorio čovjek ili se nalaze u prirodi. Svi oni prolaze kroz spontani proces radioaktivnog raspada kroz emisiju alfa i beta čestica, gama zraka i još mnogo toga. Svi elementi u periodnom sustavu s atomskim brojevima većim od 83 su radioizotopi. Postoji više od 800 poznatih radioizotopa koji su identificirani, uz dodatnih 275 izotopa koji općenito postoje iz 81 stabilnog elementa u periodnom sustavu.
Izotopi su oblici elementa s različitim brojem neutrona u jezgri atoma. Kako se radioizotopi raspadaju, oni se polako pretvaraju u druge izotope istog elementa dobivanjem ili gubljenjem neutrona i na kraju postaju potpuno drugi elementi. To ovisi o njihovoj stopi raspada, koja je poznata kao poluživot. Korištenje radioizotopa često ovisi o njihovu poluživotu, što je duljina vremena u kojoj se polovica mase radioaktivnog materijala raspadne u drugi materijal. Ugljik, koji je stabilan na 12C i 13C, je radioizotop na 8C ili 14C, s ugljikom-14 koji ima najsporiju stopu raspada pri poluživotu od 5,700 godina. Iz tog razloga, i zbog činjenice da se nalazi u prirodi, 14C se koristi za datiranje fosila i ljudskih artefakata iz drevnih društava ugljikom.
U nestabilnom atomu ravnoteža proton/neutron malo se razlikuje od njegovog stabilnog oblika, što rezultira neravnotežom energije vezanja jezgre. Kako elementi postaju teži, u jezgri mora postojati više neutrona kako bi se uravnotežile sile odbijanja proton-protona. Na primjer, uran-238 je stabilan, jer ima 92 protona i 146 neutrona u jezgri. Nuklearni radioizotopi poput urana-235 su nestabilni, međutim, s 92 protona i 143 neutrona, pa se vrlo sporo raspadaju, s vremenom poluraspada od 700 milijuna godina. Prisiljavanje urana-235 da se brže raspadne neutronskim bombardiranjem rezultira stvaranjem vrlo nestabilne jezgre koja se u biti raspršuje i započinje lančanu reakciju poznatu kao fisija.
Medicinski radioizotopi poput joda također se nalaze izvan onoga što je poznato kao pojas stabilnosti, ali, u ovom slučaju, nude korisne karakteristike. Jod-131 ima četiri dodatna neutrona od svog stabilnog kolege, a poluživot mu je osam dana. Budući da se jod može sigurno progutati, u medicini se koristi kao oblik traga ili sredstva za snimanje. Jod-125 se također koristi tako što se izravno ubrizgava u tumore u postupku poznatom kao brahiterapija, za polagano uništavanje tumorskih stanica putem zračenja, s poluživotom od 60 dana. Radioizotopi u medicinskoj primjeni također uključuju iridij-192 s poluživotom od 72 dana i paladij-103 s poluživotom od 17 dana.