어떤 원소의 동위원소 중에서 방사능을 지니고 있는 것. 20세기 초에 영국의 화학자 F.소디는 질량수(質量數)가 다른 같은 종류의 원소가 존재한다는 것을 입증하고, 이 원소들이 주기율표에서 같은 원자번호의 위치를 차지한다는 뜻에서 동위원소(isotope)라고 명명하였다.

일반적으로 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있으며, 그 종류는 질량수 A와 원자번호 Z에 의해서 구별된다. 이 A와 Z가 지정된 특정한 원자 또는 원자핵은 하나의 동위원소를 형성하는데, 이것을 핵종(核種)이라고 하며, ^AX로 표시하기도 한다.

핵종은 현재까지 약 1370종이 발견되었다. 이 중에서 자연계에 일정한 빈도로 존재하는 것이 286종 있으며, 이 중에서 방사선을 방출하여 안정된 것으로 붕괴하는 이른바 방사성동위원소가 14종 있다. 이 밖에 자연계에 존재하는 일정한 빈도를 가지지 않는 천연방사성동위원소도 44종이 있다. 따라서 인공적으로 만들어진 방사성동위원소는 약 1100종이 된다.

인공적으로 제조된 방사성동위원소 중에서 핵분열반응에 의해서 만들어진 것은 약 180종이고, 그 밖의 것은 주로 원자로 또는 사이클로트론 등의 가속장치를 이용한 핵반응에 의해서 만들어진다. 이 방사성동위원소들은 각각 다른 붕괴방식을 가지고 있으며, 특유의 에너지를 가진 방사선을 방출하고 안정된 동위원소로 붕괴한다.

붕괴방식은 α, β－, β+ 붕괴 이외에 원자핵이 K궤도전자(軌道電子)를 포획하는 이른바 EC붕괴도 있다. 이들은 대부분 다시 여분의 에너지를 γ선으로서 방출하고 안정된 동위원소가 된다. 방사성동위원소의 양은 방사능 강도, 즉 단위시간에 일어나는 붕괴의 횟수로 나타내며, 3.7×10¹⁰회/sec를 1 Ci(퀴리)라고 한다.

방사성동위원소가 단위시간에 붕괴하는 수 dN/dt는 그때 존재하는 방사성동위원소의 원자수 N에 비례한다. 즉, －dN/dt＝λN0이다. 여기서 λ는 비례상수로서 붕괴상수라고 한다. 따라서 처음에 있던 방사성동위원소의 원자수를 N0, t초 후의 원자수를 N이라고 하면,
        N＝N0(e^-λ)^t
이 된다. 여기서 N＝N0/2이 되는 시간 T_1/2을 반감기(半減期)라고 하며, T_1/2＝0.693/λ로 구할 수 있다.

방사성동위원소는 아주 미량이 존재해도 쉽게 검출할 수 있는 방사선을 방출하므로, 이것을 기준으로 하여 물질의 이동을 추적할 수 있다.

또 방사선의 투과 과정에서 물질에 물리적 또는 화학적 작용을 주고 또한 물질에 따라서 투과산란(透過散亂) 등의 작용이 다르다는 특성을 지니므로 이러한 특성들을 이용하여 의학·농학·이학·공학 등 각 분야의 기초연구나 응용연구에 사용할 수 있다.

그러나 방사성동위원소의 이용은 방사선에 의한 장애를 최소한으로 억제하기 위하여 법률로 그 취급법이 엄중히 규제된다.