Radioisotop, atau radionuklida, adalah bentuk materi unsur yang tidak stabil baik buatan manusia atau ditemukan di alam. Mereka semua mengalami proses spontan peluruhan radioaktif melalui emisi partikel alfa dan beta, sinar gamma, dan banyak lagi. Semua unsur pada tabel periodik dengan nomor atom lebih besar dari 83 adalah radioisotop. Ada lebih dari 800 radioisotop yang diketahui telah diidentifikasi, dengan tambahan 275 isotop yang ada secara umum dari 81 elemen stabil pada tabel periodik.
Isotop adalah bentuk unsur dengan jumlah neutron yang bervariasi dalam inti atom. Saat radioisotop meluruh, mereka perlahan-lahan berubah menjadi isotop lain dari elemen yang sama melalui perolehan atau kehilangan neutron, dan akhirnya mereka menjadi elemen lain sepenuhnya. Hal ini tergantung pada tingkat peluruhan mereka, yang dikenal sebagai waktu paruh. Penggunaan radioisotop sering bergantung pada waktu paruhnya, yaitu lamanya waktu setengah dari massa bahan radioaktif untuk meluruh menjadi bahan lain. Karbon, yang stabil pada 12C dan 13C, merupakan radioisotop pada 8C atau 14C, dengan karbon-14 memiliki laju peluruhan paling lambat pada waktu paruh 5,700 tahun. Untuk alasan ini, dan, karena ditemukan di alam, 14C digunakan untuk melakukan penanggalan karbon pada fosil dan artefak manusia dari masyarakat kuno.
Pada atom yang tidak stabil, keseimbangan proton/neutron sedikit berbeda dari bentuk stabilnya, sehingga energi ikat inti menjadi tidak seimbang. Ketika unsur-unsur menjadi lebih berat, lebih banyak neutron harus ada di dalam inti untuk mengimbangi gaya tolak-menolak proton-proton. Misalnya, uranium-238 stabil, karena memiliki 92 proton dan 146 neutron dalam nukleus. Namun, radioisotop nuklir seperti uranium-235 tidak stabil, dengan 92 proton dan 143 neutron, sehingga mereka meluruh dengan sangat lambat, dengan waktu paruh 700 juta tahun. Memaksa uranium-235 untuk meluruh lebih cepat dengan pemboman neutron menghasilkan penciptaan inti yang sangat tidak stabil yang pada dasarnya meledak sendiri dan memulai reaksi berantai yang dikenal sebagai fisi.
Radioisotop medis seperti yodium juga terletak di luar apa yang dikenal sebagai pita stabilitas, tetapi, dalam kasus ini, mereka menawarkan karakteristik yang menguntungkan. Yodium-131 memiliki empat neutron ekstra daripada rekan stabilnya, dan memiliki waktu paruh delapan hari. Karena yodium dapat dicerna dengan aman, yodium digunakan dalam pengobatan sebagai bentuk pelacak atau agen pencitraan. Yodium-125 juga digunakan dengan disuntikkan langsung ke tumor dalam prosedur yang dikenal sebagai brakiterapi, untuk menghancurkan sel tumor secara perlahan melalui radiasi, dengan waktu paruh 60 hari. Radioisotop dalam aplikasi medis juga mencakup iridium-192 dengan waktu paruh 72 hari, dan paladium-103 dengan waktu paruh 17 hari.