Isotopenfraktionierung, Anreicherung eines Isotops relativ zu einem anderen in einem chemischen oder physikalischen Prozess. Zwei Isotope eines Elements unterscheiden sich zwar im Gewicht, nicht aber in ihren groben chemischen Eigenschaften, die durch die Anzahl der Elektronen bestimmt werden. Der Unterschied in der Masse der Isotope hat jedoch subtile chemische Auswirkungen. Isotope eines Elements können leicht unterschiedliche Gleichgewichtskonstanten für eine bestimmte chemische Reaktion aufweisen, so dass aus Reaktanten, die unterschiedliche Isotope enthalten, leicht unterschiedliche Mengen an Reaktionsprodukten gebildet werden. Dies führt zu einer Isotopenfraktionierung, deren Ausmaß durch einen Fraktionierungsfaktor, Alpha (α), ausgedrückt werden kann, der auch als Trennfaktor oder Anreicherungsfaktor bezeichnet wird. Dieser Faktor ist das Verhältnis der Konzentrationen der beiden Isotope in einer Verbindung geteilt durch das Verhältnis in der anderen Verbindung. Wenn Nl und Nh für die relativen Häufigkeiten der leichten bzw. schweren Isotope in der ursprünglichen Verbindung stehen und wenn nl und nh die entsprechenden Häufigkeiten in der neuen Verbindung sind, dann ist α = (Nl/Nh)/(nl/nh). Der Fraktionierungsfaktor ist der Faktor, um den sich das Häufigkeitsverhältnis zweier Isotope während einer chemischen Reaktion oder eines physikalischen Prozesses ändert.
Die Ausfällung von Kalziumkarbonat aus Wasser ist ein Beispiel für einen Gleichgewichtsfraktionierungsprozess. Bei dieser Ausfällung wird Sauerstoff-18 gegenüber dem leichteren, häufigeren Isotop Sauerstoff-16 um einen Faktor von 2,5 Prozent angereichert; der Fraktionierungsfaktor ist temperaturabhängig und kann daher als Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Wassers, in dem die Ausfällung stattfindet, verwendet werden. Dies ist die Grundlage des so genannten Sauerstoffisotopen-Geothermometers.
Bei der Photosynthese wird Kohlenstoff-12, das häufigste Isotop des Kohlenstoffs, gegenüber dem schwereren Isotop Kohlenstoff-13 weiter angereichert; die Zellulose und das Lignin im Holz von Bäumen werden bei diesem Prozess um einen Faktor von etwa 2,5 Prozent angereichert. Die Fraktionierung ist in diesem Fall kein Gleichgewichtsprozess, sondern eher ein kinetischer Effekt: Das leichtere Isotop durchläuft den photosynthetischen Prozess schneller und wird folglich angereichert.
Physikalische Prozesse wie Verdunstung und Kondensation sowie thermische Diffusion können ebenfalls zu einer erheblichen Fraktionierung führen. So ist beispielsweise Sauerstoff-16 im Verhältnis zu den schwereren Sauerstoffisotopen in Wasser, das aus dem Meer verdunstet, angereichert. Andererseits ist jeder Niederschlag mit dem schweren Isotop angereichert, was zu einer weiteren Konzentration von Sauerstoff-16 im atmosphärischen Wasserdampf führt. Da die Prozesse der Verdunstung und der Kondensation eher in den Äquatorregionen bzw. in den Polarregionen stattfinden, ist der Schnee in den Polarregionen im Vergleich zum umgebenden Ozean nun um etwa 5 Prozent an Sauerstoff-18 verarmt. Da das Verhältnis der Sauerstoffisotope im Niederschlag empfindlich auf kleine Temperaturänderungen zum Zeitpunkt der Ablagerung reagiert, sind Messungen an polaren Eiskernen nützlich für die Untersuchung des Klimawandels.
Das spaltbare Isotop Uran-235 wurde von dem häufiger vorkommenden, nicht spaltbaren Isotop Uran-238 getrennt, indem man den geringen Unterschied in den Geschwindigkeiten ausnutzte, mit denen die gasförmigen Hexafluoride der beiden Isotope eine poröse Barriere passieren.