Radioizotopi jeb radionuklīdi ir cilvēka radītas vai dabā sastopamas nestabilas elementāras vielas formas. Tie visi tiek pakļauti spontānam radioaktīvās sabrukšanas procesam, izstarojot alfa un beta daļiņas, gamma starus un daudz ko citu. Visi periodiskās tabulas elementi, kuru atomu skaits ir lielāks par 83, ir radioizotopi. Ir identificēti vairāk nekā 800 zināmi radioizotopi, un papildu 275 izotopi kopumā pastāv no 81 stabilā elementa periodiskajā tabulā.
Izotopi ir elementa formas ar atšķirīgu neitronu skaitu atoma kodolā. Radioizotopiem sadaloties, tie lēnām pārvēršas par citiem tā paša elementa izotopiem, iegūstot vai zaudējot neitronus, un galu galā tie kļūst par citiem elementiem. Tas ir atkarīgs no to sabrukšanas ātruma, ko sauc par pussabrukšanas periodu. Radioizotopu izmantošana bieži ir atkarīga no to pussabrukšanas perioda, kas ir laiks, kurā puse no radioaktīvā materiāla masas sadalās citā materiālā. Ogleklis, kas ir stabils 12C un 13C temperatūrā, ir radioizotops 8C vai 14C temperatūrā, un ogleklim-14 ir vislēnākais sabrukšanas ātrums ar pussabrukšanas periodu 5,700 gadi. Šī iemesla dēļ, kā arī tāpēc, ka tas ir atrodams dabā, 14C tiek izmantots, lai veiktu seno sabiedrību fosiliju un cilvēku artefaktu datēšanu ar oglekli.
Nestabilā atomā protonu/neitronu līdzsvars nedaudz atšķiras no tā stabilās formas, kā rezultātā kodola saistīšanās enerģija nav līdzsvarota. Elementiem kļūstot smagākiem, kodolā ir jābūt vairāk neitronu, lai līdzsvarotu protonu-protonu atgrūšanas spēkus. Piemēram, urāns-238 ir stabils, jo tā kodolā ir 92 protoni un 146 neitroni. Kodola radioizotopi, piemēram, urāns-235, tomēr ir nestabili ar 92 protoniem un 143 neitroniem, tāpēc tie ļoti lēni sadalās, un pussabrukšanas periods ir 700 miljoni gadu. Piespiežot urānu-235 ātrāk sadalīties ar neitronu bombardēšanu, tiek izveidots ļoti nestabils kodols, kas būtībā izpūšas un sāk ķēdes reakciju, kas pazīstama kā skaldīšanās.
Medicīniskie radioizotopi, piemēram, jods, arī atrodas ārpus stabilitātes joslas, taču šajā gadījumā tiem ir labvēlīgas īpašības. Jodam-131 ir četri papildu neitroni nekā tā stabilajam līdziniekam, un tā pussabrukšanas periods ir astoņas dienas. Tā kā jodu var droši uzņemt, medicīnā to izmanto kā marķiera vai attēlveidošanas līdzekli. Jods-125 tiek izmantots arī, tieši injicējot to audzējos procedūrā, kas pazīstama kā brahiterapija, lai lēnām iznīcinātu audzēja šūnas ar starojumu ar pussabrukšanas periodu 60 dienas. Radioizotopi medicīnā ietver arī irīdiju-192 ar pussabrukšanas periodu 72 dienas un pallādiju-103 ar pussabrukšanas periodu 17 dienas.