Fracționare izotopică, îmbogățire a unui izotop în raport cu un altul într-un proces chimic sau fizic. Doi izotopi ai unui element sunt diferiți ca greutate, dar nu și ca proprietăți chimice brute, care sunt determinate de numărul de electroni. Cu toate acestea, efectele chimice subtile rezultă din diferența de masă a izotopilor. Izotopii unui element pot avea constante de echilibru ușor diferite pentru o anumită reacție chimică, astfel încât din reactanți care conțin izotopi diferiți se obțin cantități ușor diferite de produse de reacție. Acest lucru duce la fracționare izotopică, a cărei amploare poate fi exprimată printr-un factor de fracționare, alfa (α), cunoscut și sub numele de factor de separare sau factor de îmbogățire. Acest factor este raportul dintre concentrațiile celor doi izotopi dintr-un compus împărțit la raportul din celălalt compus. Dacă Nl și Nh reprezintă abundențele relative ale izotopilor ușori și, respectiv, grele din compusul original și dacă nl și nh sunt abundențele corespunzătoare din noul compus, atunci α = (Nl/Nh)/(nl/nh). Factorul de fracționare este factorul cu care se va modifica raportul de abundență a doi izotopi în timpul unei reacții chimice sau al unui proces fizic.
Precipitarea carbonatului de calciu din apă este un exemplu de proces de fracționare în echilibru. În timpul acestei precipitări, oxigenul-18 se îmbogățește cu un factor de 2,5 la sută în raport cu izotopul mai ușor și mai comun oxigen-16; factorul de fracționare depinde de temperatură și, în consecință, poate fi folosit ca mijloc de determinare a temperaturii apei în care are loc precipitarea. Aceasta este baza așa-numitului geotermometru izotopic al oxigenului.
În timpul procesului de fotosinteză, carbonul-12, cel mai comun izotop al carbonului, se îmbogățește și mai mult în raport cu izotopul mai greu, carbonul-13; celuloza și lignina din lemnul arborilor se îmbogățește cu un factor de aproximativ 2,5 la sută în timpul acestui proces. Fracționarea în acest caz nu este un proces de echilibru, ci mai degrabă un efect cinetic: izotopul mai ușor avansează mai repede prin procesul fotosintetic și, în consecință, se îmbogățește.
Procesele fizice, cum ar fi evaporarea și condensarea și difuzia termică, pot duce, de asemenea, la o fracționare semnificativă. De exemplu, oxigenul-16 este îmbogățit în raport cu izotopii de oxigen mai grei în apa care se evaporă din mare. Pe de altă parte, orice precipitat este îmbogățit în izotopul greu, ceea ce duce la o concentrație suplimentară de oxigen-16 în vaporii de apă din atmosferă. Deoarece procesele de evaporare și condensare tind să aibă loc în regiunile ecuatoriale și, respectiv, în regiunile polare, zăpada din regiunile polare este sărăcită în oxigen-18 cu aproximativ 5 procente acum în comparație cu oceanul înconjurător. Deoarece raportul dintre izotopii de oxigen din precipitații este sensibil la mici schimbări de temperatură în momentul depunerii, măsurătorile din carote de gheață polară sunt utile în studiul schimbărilor climatice.
Izotopul fisionabil uraniu-235 a fost separat de izotopul mai abundent, nefizibil, uraniu-238, prin exploatarea ușoarei diferențe dintre vitezele cu care hexafluorurile gazoase ale celor doi izotopi trec printr-o barieră poroasă.