Radioizotopai arba radionuklidai yra nestabilios elementinės medžiagos formos, kurias sukuria žmogus arba randama gamtoje. Jie visi patiria spontanišką radioaktyvaus skilimo procesą, išskirdami alfa ir beta daleles, gama spindulius ir kt. Visi periodinės lentelės elementai, kurių atominis skaičius didesnis nei 83, yra radioizotopai. Yra nustatyta daugiau nei 800 žinomų radioizotopų, o dar 275 izotopai iš 81 stabilaus elemento periodinėje lentelėje.
Izotopai yra elemento formos, turinčios skirtingą neutronų skaičių atomo branduolyje. Skildami radioizotopams, jie pamažu virsta kitais to paties elemento izotopais, gaudami arba prarasdami neutronus, ir galiausiai jie tampa visiškai kitais elementais. Tai priklauso nuo jų skilimo greičio, kuris yra žinomas kaip pusinės eliminacijos laikas. Radioaktyviųjų izotopų panaudojimas dažnai priklauso nuo jų pusėjimo trukmės, ty laiko, per kurį pusė radioaktyviosios medžiagos masės suyra į kitą medžiagą. Anglis, kuri yra stabili 12C ir 13C temperatūroje, yra radioizotopas 8C arba 14C temperatūroje, o anglies-14 skilimo greitis yra lėčiausias, kai pusinės eliminacijos laikas yra 5,700 metų. Dėl šios priežasties ir dėl to, kad jis randamas gamtoje, 14C naudojamas senovės visuomenių fosilijų ir žmogaus artefaktų anglies datavimui atlikti.
Nestabiliame atome protonų ir neutronų balansas šiek tiek skiriasi nuo jo stabilios formos, todėl branduolio jungiamoji energija yra išbalansuota. Elementams sunkėjant, branduolyje turi būti daugiau neutronų, kad būtų subalansuotos protonų ir protonų atstūmimo jėgos. Pavyzdžiui, uranas-238 yra stabilus, nes jo branduolyje yra 92 protonai ir 146 neutronai. Branduoliniai radioizotopai, tokie kaip uranas-235, yra nestabilūs, tačiau juose yra 92 protonai ir 143 neutronai, todėl jie labai lėtai irsta, o pusinės eliminacijos laikas yra 700 milijonų metų. Privertus uraną-235 sparčiau skilti bombarduojant neutronais, susidaro labai nestabilus branduolys, kuris iš esmės sprogsta ir pradeda grandininę reakciją, žinomą kaip dalijimasis.
Medicininiai radioizotopai, tokie kaip jodas, taip pat yra už vadinamosios stabilumo juostos, tačiau šiuo atveju jie turi naudingų savybių. Jodas-131 turi keturis papildomus neutronus nei jo stabilus atitikmuo, o jo pusinės eliminacijos laikas yra aštuonios dienos. Kadangi jodą galima saugiai nuryti, jis naudojamas medicinoje kaip žymeklis arba vaizdo gavimo priemonė. Jodas-125 taip pat naudojamas tiesiogiai švirkščiant į navikus taikant procedūrą, vadinamą brachiterapija, siekiant lėtai naikinti naviko ląsteles spinduliuote, o pusinės eliminacijos laikas yra 60 dienų. Radioizotopai medicinoje taip pat yra iridis-192, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 72 dienos, ir paladis-103, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 17 dienų.