Izotopová frakcionace, obohacení jednoho izotopu oproti jinému v chemickém nebo fyzikálním procesu. Dva izotopy prvku se liší hmotností, ale ne hrubými chemickými vlastnostmi, které jsou určeny počtem elektronů. Z rozdílu hmotností izotopů však vyplývají jemné chemické účinky. Izotopy prvku mohou mít mírně odlišné rovnovážné konstanty pro určitou chemickou reakci, takže z reaktantů obsahujících různé izotopy vzniká mírně odlišné množství reakčních produktů. To vede k izotopové frakcionaci, jejíž rozsah lze vyjádřit pomocí frakcionačního faktoru alfa (α), známého také jako separační faktor nebo faktor obohacení. Tento faktor je poměr koncentrací obou izotopů v jedné sloučenině dělený poměrem v druhé sloučenině. Pokud Nl a Nh znamenají relativní zastoupení lehkých a těžkých izotopů v původní sloučenině a pokud nl a nh jsou odpovídající zastoupení v nové sloučenině, pak α = (Nl/Nh)/(nl/nh). Frakcionační faktor je faktor, o který se změní poměr zastoupení dvou izotopů během chemické reakce nebo fyzikálního procesu.
Srážení uhličitanu vápenatého z vody je příkladem rovnovážného frakcionačního procesu. Při tomto srážení je kyslík-18 obohacen o faktor 2,5 % vzhledem k lehčímu, běžnějšímu izotopu kyslíku-16; frakcionační faktor závisí na teplotě, a proto může být použit jako prostředek k určení teploty vody, ve které dochází ke srážení. To je základem takzvaného geotermometru izotopů kyslíku.
Při procesu fotosyntézy se uhlík-12, nejběžnější izotop uhlíku, dále obohacuje vzhledem k těžšímu izotopu, uhlíku-13; celulóza a lignin ve dřevě stromů se při tomto procesu obohacují o faktor asi 2,5 procenta. Frakcionace v tomto případě není rovnovážný proces, ale spíše kinetický efekt: lehčí izotop postupuje fotosyntetickým procesem rychleji, a proto je obohacen.
Fyzikální procesy, jako je odpařování a kondenzace a tepelná difúze, mohou také vést k významné frakcionaci. Například izotop kyslíku-16 je obohacen oproti těžším izotopům kyslíku ve vodě vypařující se z moře. Na druhé straně je každá srážka obohacena o těžký izotop, což vede k další koncentraci kyslíku-16 v atmosférické vodní páře. Protože procesy vypařování a kondenzace probíhají spíše v rovníkových, respektive polárních oblastech, je sníh v polárních oblastech nyní ochuzen o kyslík-18 přibližně o 5 % ve srovnání s okolním oceánem. Protože poměr izotopů kyslíku ve srážkách je citlivý na malé změny teploty v době usazování, jsou měření polárních ledových jader užitečná při studiu klimatických změn.
Štěpný izotop uranu-235 byl oddělen od hojnějšího, neštěpného izotopu uranu-238 využitím nepatrného rozdílu v rychlosti, s jakou plynné hexafluoridy obou izotopů procházejí porézní bariérou.