Izotópos frakcionálás, az egyik izotóp feldúsulása egy másikhoz képest egy kémiai vagy fizikai folyamat során. Egy elem két izotópja súlyban különbözik egymástól, de nem a bruttó kémiai tulajdonságokban, amelyeket az elektronok száma határoz meg. Az izotópok tömegkülönbsége azonban finom kémiai hatásokat eredményez. Egy elem izotópjai egy adott kémiai reakcióban kissé eltérő egyensúlyi állandókkal rendelkezhetnek, így a különböző izotópokat tartalmazó reaktánsokból kissé eltérő mennyiségű reakciótermék keletkezik. Ez izotópos frakcionálódáshoz vezet, amelynek mértékét a frakcionálási tényezővel, alfa (α), más néven elválasztási tényezővel vagy dúsulási tényezővel lehet kifejezni. Ez a tényező az egyik vegyületben lévő két izotóp koncentrációjának aránya osztva a másik vegyületben lévő arányával. Ha Nl és Nh a könnyű és nehéz izotópok relatív gyakoriságát jelöli az eredeti vegyületben, és ha nl és nh a megfelelő gyakoriságok az új vegyületben, akkor α = (Nl/Nh)/(nl/nh). A frakcionálási tényező az a tényező, amellyel két izotóp gyakorisági aránya egy kémiai reakció vagy fizikai folyamat során megváltozik.
A kalcium-karbonát vízből történő kicsapása példa az egyensúlyi frakcionálási folyamatra. E kicsapódás során az oxigén-18 2,5 százalékkal dúsul a könnyebb, gyakoribb oxigén-16 izotóphoz képest; a frakcionálási tényező függ a hőmérséklettől, és következésképpen felhasználható annak a víznek a hőmérsékletének meghatározására, amelyben a kicsapódás történik. Ez az alapja az úgynevezett oxigénizotóp-geotermométernek.
A fotoszintézis folyamata során a szén-12, a szén leggyakoribb izotópja tovább dúsul a nehezebb izotóphoz, a szén-13-hoz képest; a fákból származó fában lévő cellulóz és lignin e folyamat során körülbelül 2,5 százalékkal dúsul. A frakcionálódás ebben az esetben nem egyensúlyi folyamat, hanem inkább kinetikus hatás: a könnyebb izotóp gyorsabban halad a fotoszintetikus folyamat során, és ennek következtében feldúsul.
Fizikai folyamatok, például a párolgás és a kondenzáció, valamint a termikus diffúzió szintén jelentős frakcionálódást eredményezhetnek. Például a tengerből párolgó vízben az oxigén-16 a nehezebb oxigénizotópokhoz képest feldúsul. Másrészt minden csapadék feldúsul a nehéz izotópban, ami az oxigén-16 további koncentrációját eredményezi a légköri vízgőzben. Mivel a párolgás és a kondenzáció folyamatai általában az egyenlítői, illetve a sarkvidéki régiókban zajlanak, a sarkvidéki hó oxigén-18-ban most körülbelül 5 százalékkal szegényebb a környező óceánhoz képest. Mivel a csapadékban lévő oxigénizotópok aránya érzékeny a lerakódás idején a hőmérséklet kis változásaira, a sarki jégmagok mérései hasznosak az éghajlatváltozás tanulmányozásában.
A hasadó urán-235 izotópot a nagyobb mennyiségben előforduló, nem hasadó urán-238 izotóptól úgy választották el, hogy kihasználták a két izotóp gáznemű hexafluoridjainak porózus gáton való áthaladási sebessége közötti csekély különbséget.