核電荷が同じで且つ原子質量が異なる原子（核種）は同位元素と呼ばされる。１９世紀末放射性を発見してから，20世紀初期まで，発見された放射性元素は３０種以上あり，それに，ある放射性元素の放射性が著しく異なるが，その化学的性質が全く同じであるということは既に証明された。１９１０年英国の化学者F.ソディは，化学元素中で原子量と放射性が異なるがその他の物理的と化学的性質が同じであるという変形例があり，このような変形例が周期表において同じ位置にあり，同位元素と呼ばされるという仮説を提案した。やがて，彼は異なった放射性元素から二種の鉛を発見し，一つの原子量が206.08であり，もう一つの原子量が208である。１８９７年イギリスの物理学者W.トムソンは電子を発見し，１９１２年彼は電子測定機器を改良し，磁場の作用を利用し，磁性分離器（質量分析計の前身）を製造した。彼はネオンガスで測定する時に，どのようにネオンを精製し，いずれもスクリーンで二つの放物線を示し，一つは質量が２０のネオンを示し，もう一つは質量が２２のネオンを示す。これは始めて発見した安定同位元素であり，即ち非放射性同位元素である。F. W.アストンが第一台の質量分析計を製造し，それは，ネオンが確かに原子量の異なった二つの同位元素を有するということを証明し，且つその他の７０種以上の元素から２００種以上の同位元素を発見した。それまで，既に発見された元素は１０９種あり，その中で２０種のみの元素中で安定同位元素を発見しないが，すべての元素はいずれも放射性同位元素を有する。多くの天然元素はいずれも複数種の同位元素によって構成される混合物であり，安定同位元素は約３００種以上あり，それに対して放射性同位元素は１５００種以上ある。

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