同位体分別、化学的または物理的プロセスにおいて、ある同位体が他の同位体に対して濃縮されること。 ある元素の2つの同位体は、重量は異なるが、電子の数によって決定される総体的な化学的性質は異ならない。 しかし、同位体の質量の違いによって、微妙な化学的効果が生じる。 ある元素の同位体は、特定の化学反応に対する平衡定数がわずかに異なる場合があり、異なる同位体を含む反応物からわずかに異なる量の反応生成物が作られる。 これは同位体分別につながり、その程度は分別係数、α（分離係数、濃縮係数とも呼ばれる）で表すことができる。 この係数は、ある化合物中の2つの同位体の濃度を他の化合物中の濃度で割った比率である。 NlとNhがそれぞれ元の化合物における軽重同位体の相対量を表し、nlとnhが新しい化合物における対応する存在量を表すと、α = (Nl/Nh)/(nl/nh) となります。
水からの炭酸カルシウムの沈殿は、平衡分画過程の一例である。 この沈殿の間、酸素18はより軽く、より一般的な同位体である酸素16に対して2.5%の割合で濃縮される。この分画係数は温度に依存し、結果として沈殿が起こる水の温度を決定する手段として使用することができる。 これはいわゆる酸素同位体地温計の基礎となっています。
光合成の過程で、最も一般的な炭素の同位体である炭素12は、より重い同位体である炭素13に対してさらに濃縮されます。木から取れる木材中のセルロースとリグニンはこの過程で約2.5%の濃縮が行われます。 この場合の分別は平衡プロセスではなく、むしろ運動学的効果である。軽い方の同位体は光合成プロセスを通じて速く進み、その結果、濃縮される。
蒸発や凝縮、熱拡散などの物理的プロセスも、著しい分別につながることがある。 例えば、海から蒸発する水では、重い酸素同位体に比べて酸素16が濃縮される。 一方、沈殿物は重同位体に富み、大気中の水蒸気中の酸素16がさらに濃縮される。 蒸発と凝縮はそれぞれ赤道域と極域で起こりやすいため、極域の雪は周囲の海に比べて酸素18が5%程度減少している。 降水物中の酸素同位体比は、降水時のわずかな温度変化に敏感であるため、極地のアイスコアの測定は気候変動の研究に有用です。
核分裂性同位体ウラン235は、ガス状の六フッ化物が多孔質バリアを通過する速度がわずかに異なることを利用して、より豊富で非核の同位体ウラン238から分離された。