Isotopfraktionering, anrikning av en isotop i förhållande till en annan i en kemisk eller fysisk process. Två isotoper av ett grundämne skiljer sig åt i vikt men inte i bruttokemiska egenskaper, som bestäms av antalet elektroner. Subtila kemiska effekter uppstår dock på grund av isotopernas olika massa. Isotoper av ett grundämne kan ha något olika jämviktskonstanter för en viss kemisk reaktion, så att något olika mängder reaktionsprodukter framställs av reaktanter som innehåller olika isotoper. Detta leder till isotopfraktionering, vars omfattning kan uttryckas med en fraktioneringsfaktor, alfa (α), även kallad separationsfaktor eller anrikningsfaktor. Denna faktor är förhållandet mellan koncentrationerna av de två isotoperna i en förening dividerat med förhållandet i den andra föreningen. Om Nl och Nh står för de relativa halterna av de lätta respektive tunga isotoperna i den ursprungliga föreningen och om nl och nh är motsvarande halter i den nya föreningen, är α = (Nl/Nh)/(nl/nh). Fraktioneringsfaktorn är den faktor med vilken abundansförhållandet mellan två isotoper förändras under en kemisk reaktion eller en fysikalisk process.
Fällningen av kalciumkarbonat från vatten är ett exempel på en jämviktsfraktioneringsprocess. Under denna utfällning anrikas syre-18 med en faktor på 2,5 procent i förhållande till den lättare, vanligare isotopen syre-16. Fraktioneringsfaktorn beror på temperaturen och kan följaktligen användas som ett sätt att bestämma temperaturen på det vatten där utfällningen sker. Detta ligger till grund för den så kallade geotermometern för syrgasisotoper.
Under fotosyntesen anrikas kol-12, den vanligaste kolisotopen, ytterligare i förhållande till den tyngre isotopen kol-13. Cellulosa och lignin i trä från träd anrikas med en faktor på cirka 2,5 procent under denna process. Fraktioneringen i detta fall är inte en jämviktsprocess utan snarare en kinetisk effekt: den lättare isotopen fortskrider snabbare genom fotosyntesprocessen och anrikas följaktligen.
Fysiska processer, såsom avdunstning och kondensering samt termisk diffusion, kan också leda till betydande fraktionering. Till exempel är syre-16 anrikat i förhållande till de tyngre syreisotoperna i vatten som avdunstar från havet. Å andra sidan är varje utfällning berikad i den tunga isotopen, vilket resulterar i en ytterligare koncentration av syre-16 i atmosfärisk vattenånga. Eftersom avdunstnings- och kondensationsprocesserna tenderar att inträffa i ekvatorialregionerna respektive polarregionerna är snö i polarregionerna utarmad på syre-18 med cirka 5 procent nu jämfört med det omgivande havet. Eftersom förhållandet mellan syreisotoper i nederbörd är känsligt för små temperaturförändringar vid tidpunkten för avlagringen är mätningar av polära iskärnor användbara för att studera klimatförändringar.
Den klyvbara isotopen uran-235 har separerats från den rikligare, icke-klyvbara isotopen uran-238 genom att utnyttja den lilla skillnaden i hastigheten med vilken de gasformiga hexafluoriderna av de två isotoperna passerar genom en porös barriär.