Radioizotopi ali radionuklidi so nestabilne oblike elementarne snovi, ki jih je ustvaril človek ali jih najdemo v naravi. Vsi so podvrženi spontanemu procesu radioaktivnega razpada z emisijo alfa in beta delcev, gama žarkov in še več. Vsi elementi v periodnem sistemu z atomskimi številkami, večjimi od 83, so radioizotopi. Identificiranih je več kot 800 znanih radioizotopov, pri čemer na splošno obstaja dodatnih 275 izotopov iz 81 stabilnih elementov v periodnem sistemu.
Izotopi so oblike elementa z različnim številom nevtronov v jedru atoma. Ko radioizotopi razpadajo, se s pridobivanjem ali izgubljanjem nevtronov počasi pretvarjajo v druge izotope istega elementa in sčasoma v celoti postanejo drugi elementi. To je odvisno od njihove stopnje razpada, ki je znana kot razpolovna doba. Uporaba radioaktivnih izotopov je pogosto odvisna od njihove razpolovne dobe, ki je čas, v katerem polovica mase radioaktivnega materiala razpade v drug material. Ogljik, ki je stabilen pri 12C in 13C, je radioizotop pri 8C ali 14C, pri čemer ima ogljik-14 najpočasnejši razpad pri razpolovni dobi 5,700 let. Iz tega razloga in zaradi dejstva, da ga najdemo v naravi, se 14C uporablja za ogljikovo datiranje fosilov in človeških artefaktov iz starodavnih družb.
V nestabilnem atomu se ravnovesje proton/nevtron nekoliko razlikuje od njegove stabilne oblike, zaradi česar je energija vezave jedra neravnovesja. Ko elementi postajajo težji, mora v jedru obstajati več nevtronov, da se uravnotežijo protonsko-protonske odbojne sile. Na primer, uran-238 je stabilen, ker ima v jedru 92 protonov in 146 nevtronov. Jedrski radioizotopi, kot je uran-235, pa so nestabilni z 92 protoni in 143 nevtroni, zato zelo počasi razpadajo, z razpolovno dobo 700 milijonov let. Prisilitev urana-235 k hitrejšemu razpadanju z nevtronskim bombardiranjem povzroči ustvarjanje zelo nestabilnega jedra, ki se v bistvu razstreli in sproži verižno reakcijo, znano kot cepitev.
Medicinski radioizotopi, kot je jod, prav tako ležijo izven tistega, kar je znano kot pas stabilnosti, vendar v tem primeru ponujajo koristne lastnosti. Jod-131 ima štiri dodatne nevtrone kot njegov stabilen dvojnik in ima razpolovno dobo osem dni. Ker jod lahko varno zaužijemo, se v medicini uporablja kot oblika sledilca ali sredstva za slikanje. Jod-125 se uporablja tudi tako, da se neposredno injicira v tumorje v postopku, znanem kot brahiterapija, za počasno uničenje tumorskih celic z obsevanjem, z razpolovno dobo 60 dni. Radioizotopi v medicinskih aplikacijah vključujejo tudi iridij-192 z razpolovno dobo 72 dni in paladij-103 z razpolovno dobo 17 dni.