Isotooppien fraktiointi, yhden isotoopin rikastuminen suhteessa toiseen kemiallisessa tai fysikaalisessa prosessissa. Alkuaineen kaksi isotooppia eroavat toisistaan painoltaan, mutta eivät bruttokemiallisilta ominaisuuksiltaan, jotka määräytyvät elektronien lukumäärän perusteella. Isotooppien massaerot aiheuttavat kuitenkin hienovaraisia kemiallisia vaikutuksia. Alkuaineen isotoopeilla voi olla hieman erilaiset tasapainovakiot tietyssä kemiallisessa reaktiossa, jolloin eri isotooppeja sisältävistä reaktiotuotteista saadaan hieman erilaisia määriä reaktiotuotteita. Tämä johtaa isotooppien fraktioitumiseen, jonka laajuus voidaan ilmaista fraktiointikertoimella alfa (α), joka tunnetaan myös erotuskertoimena tai rikastumiskertoimena. Tämä kerroin on yhdessä yhdisteessä olevien kahden isotoopin pitoisuuksien suhde jaettuna toisessa yhdisteessä olevien pitoisuuksien suhteella. Jos Nl ja Nh tarkoittavat kevyiden ja raskaiden isotooppien suhteellisia runsauksia alkuperäisessä yhdisteessä ja jos nl ja nh ovat vastaavat runsaudet uudessa yhdisteessä, α = (Nl/Nh)/(nl/nh). Fraktiointikerroin on tekijä, jolla kahden isotoopin runsaussuhde muuttuu kemiallisen reaktion tai fysikaalisen prosessin aikana.
Kalsiumkarbonaatin saostaminen vedestä on esimerkki tasapainojakautumisprosessista. Tämän saostuksen aikana happi-18 rikastuu 2,5 prosentin kertoimella suhteessa kevyempään ja yleisempään isotooppiin happi-16. Fraktiointikerroin riippuu lämpötilasta, ja näin ollen sitä voidaan käyttää keinona määrittää sen veden lämpötila, jossa saostus tapahtuu. Tähän perustuu niin sanottu hapen isotooppigeotermometri.
Fotosynteesin aikana hiili-12, hiilen yleisin isotooppi, rikastuu edelleen suhteessa raskaampaan isotooppiin, hiili-13:een; puiden puun selluloosa ja ligniini rikastuu tämän prosessin aikana noin 2,5 prosentin kertoimella. Fraktioituminen ei tässä tapauksessa ole tasapainoprosessi vaan pikemminkin kineettinen vaikutus: kevyempi isotooppi etenee nopeammin fotosynteettisessä prosessissa ja näin ollen rikastuu.
Fysikaaliset prosessit, kuten haihtuminen ja tiivistyminen sekä lämpödiffuusio, voivat myös johtaa merkittävään fraktioitumiseen. Esimerkiksi merestä haihtuvassa vedessä happi-16 rikastuu suhteessa raskaampiin happi-isotooppeihin. Toisaalta kaikki saostumat rikastuvat raskaan isotoopin osalta, mikä johtaa happi-16:n pitoisuuden kasvuun ilmakehän vesihöyryssä. Koska haihtumis- ja tiivistymisprosessit tapahtuvat yleensä päiväntasaajalla ja polaarialueilla, polaarialueiden lumen happi-18-pitoisuus on nyt noin 5 prosenttia pienempi kuin ympäröivän valtameren. Koska happi-isotooppien suhde saostumissa on herkkä pienille lämpötilan muutoksille laskeutumishetkellä, polaarijääsydänten mittaukset ovat hyödyllisiä ilmastonmuutoksen tutkimisessa.
Fissioituva isotooppi uraani-235 on erotettu runsaammasta, ei-fissioituvasta isotoopista uraani-238 hyödyntämällä pientä eroa nopeuksissa, joilla näiden kahden isotoopin kaasumaiset heksafluoridit kulkevat huokoisen esteen läpi.