Fracionamento isotópico, enriquecimento de um isótopo em relação a outro num processo químico ou físico. Dois isótopos de um elemento são diferentes em peso, mas não em propriedades químicas brutas, que são determinadas pelo número de elétrons. Contudo, efeitos químicos subtis resultam da diferença de massa dos isótopos. Os isótopos de um elemento podem ter constantes de equilíbrio ligeiramente diferentes para uma determinada reação química, de modo que quantidades ligeiramente diferentes de produtos de reação são feitas a partir de reagentes contendo diferentes isótopos. Isto leva ao fracionamento isotópico, cuja extensão pode ser expressa por um fator de fracionamento, alfa (α), também conhecido como fator de separação, ou fator de enriquecimento. Este fator é a razão entre as concentrações dos dois isótopos em um composto dividido pela razão no outro composto. Se Nl e Nh representam as abundâncias relativas dos isótopos leves e pesados, respectivamente, no composto original e se nl e nh são as abundâncias correspondentes no novo composto, então α = (Nl/Nh)/(nl/nh). O fator de fracionamento é o fator pelo qual a razão de abundância de dois isótopos mudará durante uma reação química ou um processo físico.
A precipitação de carbonato de cálcio da água é um exemplo de um processo de fracionamento de equilíbrio. Durante esta precipitação o oxigênio-18 é enriquecido por um fator de 2,5% em relação ao isótopo mais leve e comum oxigênio-16; o fator de fracionamento depende da temperatura e, consequentemente, pode ser utilizado como meio para determinar a temperatura da água em que ocorre a precipitação. Esta é a base do chamado geotermômetro isotópico de oxigênio.
Durante o processo de fotossíntese, o carbono-12, o isótopo mais comum do carbono, é enriquecido ainda mais em relação ao isótopo mais pesado, o carbono-13; a celulose e a lignina na madeira das árvores é enriquecida por um fator de cerca de 2,5 por cento durante este processo. O fracionamento neste caso não é um processo de equilíbrio, mas sim um efeito cinético: o isótopo mais leve continua mais rapidamente através do processo fotossintético e, consequentemente, é enriquecido.
Processos físicos, como a evaporação e condensação e a difusão térmica, também podem resultar em fracionamento significativo. Por exemplo, o oxigênio-16 é enriquecido em relação aos isótopos de oxigênio mais pesados da água que evapora do mar. Por outro lado, qualquer precipitado é enriquecido no isótopo pesado, resultando em uma maior concentração de oxigênio-16 no vapor de água atmosférica. Como os processos de evaporação e condensação tendem a ocorrer nas regiões equatoriais e polares, respectivamente, a neve nas regiões polares está agora esgotada em oxigénio-18 em cerca de 5 por cento em comparação com o oceano circundante. Como a proporção de isótopos de oxigênio nos precipitados é sensível a pequenas mudanças de temperatura no momento da deposição, as medições dos núcleos polares de gelo são úteis no estudo das mudanças climáticas.
O urânio isotópico físsil-235 foi separado do urânio isotópico não-físsil mais abundante-238, explorando a ligeira diferença nas taxas pelas quais os hexafluoretos gasosos dos dois isótopos passam por uma barreira porosa.