Các nguyên tử có cùng số hiệu nguyên tử nhưng khối lượng nguyên tử khác nhau được gọi là đồng vị. Sự khác biệt về khối lượng phát sinh do các nguyên tử chứa một số nơtron khác nhau cho cùng một số proton.
Danh tính của một nguyên tố được xác định bởi số proton mà mỗi hạt nhân của nó chứa. Các proton tích điện dương và được giữ với nhau trong một không gian nhỏ. Lực đẩy tĩnh điện giữa các điện tích tương tự là rất cao, nhưng chúng có thể duy trì ổn định do sự hiện diện của các nơtron. Nơtron là các hạt hạ nguyên tử trung tính được tìm thấy trong hạt nhân của nguyên tử. Các proton và neutron là những hạt hạ nguyên tử nặng nhất và tạo nên toàn bộ khối lượng nguyên tử của một nguyên tố.
Khi hai nguyên tử có cùng số proton, chúng được cho là của cùng một nguyên tố. Tuy nhiên, nếu chúng khác nhau về khối lượng nguyên tử, điều đó có nghĩa là số nơtron trong hạt nhân của hai nguyên tử là khác nhau. Vì số nơtron không làm thay đổi cấu hình electron của nguyên tử nên hai nguyên tử có tính chất hóa học giống nhau. Tuy nhiên, chúng có các tính chất vật lý khác nhau, chẳng hạn như điểm sôi, điểm nóng chảy và mật độ, vì khối lượng nguyên tử của chúng khác nhau.
Để giải thích sự giống nhau về tính chất hóa học nhưng khác biệt về tính chất vật lý, hai nguyên tử của cùng một nguyên tố được gọi là đồng vị của nguyên tố đó. Ví dụ, hydro có hai đồng vị khác là đơteri và triti, được tạo ra bởi sự bổ sung thêm neutron trong hạt nhân mà không làm thay đổi số lượng proton hoặc electron.
