學科簡史
19世紀末,由於電子、X射線和放射性的發現，人類的認識能深入到原子內部。通過對放射性的研究，不僅發現了釙、鐳、錒等放射性元素，還從這些放射性元素中分離出30多種新的放射性“元素”，多到周期表中沒有可以容納它們的空位，而且有些放射性不同的新元素在化學性質上完全相同，彼此無法分開，以致在當時引起懷疑：周期表對放射性元素是否適用？通過對這些事實的進一步研究，1913年F·索迪和K.法揚斯同時發現放射性元素位移規律，並提出同位素的概念，從而解決了許多新元素在周期表上的位置問題，並用同位素概念說明了它們之間的依存變化關係。
同位素化學1913年J.J.湯姆孫和F·W·阿斯頓在用磁分析器研究氖時，發現了氖的兩種同位素──氖20和氖22。這是第一次發現穩定同位素。1919年阿斯頓製成質譜儀，隨後他在71種元素中，發現了202種同位素,並測定了各同位素的豐度。1920年G·C·de赫維西和L.K.策希邁斯特爾研究了同位素交換反應。1931年H·C·尤里等發現重氫；1933年G·N·路易斯等用電解法製得純重水；1934年挪威利用其廉價水電能建立了第一座重水工廠。1942年美國建造了電磁分離器並分離出鈾235;1943年美國又建立了三座六氟化鈾氣體擴散工廠生產鈾235;1944年美國橡樹嶺國家實驗室首先生產了千克量的鈾235,並製造了第一顆核子彈。
重水既是建造反應堆的重要原料，又是熱核燃料和熱核武器的原料。第二次世界大戰後，一些國家競相研究生產重水的新方法，其中硫化氫雙溫交換法、液氫精餾法等都實現了工業化生產。
從50年代開始,為了尋找更好的同位素分離方法,不斷把科學技術新成就套用到同位素分離技術中。例如，60年代的色譜法和70年代開始的雷射法分離同位素的研究，都取得了突破性進展。到80年代中期，世界上用同位素分離法生產的同位素主要有：氘、氚、氦3、鋰 6、硼 10、碳13、氮 15、氧18和鈾235等。其中,重水的年產量以千噸計。例如，世界上最大的重水生產國加拿大，用雙溫交換法生產重水，1982年的年生產能力已達4000噸。硼10的世界年產量則以百千克計。隨著核科學技術的發展，特別是核武器的研製和核電站的發展，更加推動了同位素化學的發展。
研究內容
同位素化學的主要研究內容包括同位素的分布、同位素分析、同位素分離、同位素效應。
同位素的分布
中國科學院同位素年代學和地球化學同位素分布規律的研究有以下四個方面：①同位素穩定性規律,研究地球上存在的300多種核素的穩定範圍和穩定性規律（見穩定同位素）；②同位素豐度，研究地球物質中各種元素的同位素豐度的一般規律；③地球上同位素分布的漲落，在自然界中，元素不論是游離狀態還是化合狀態，其同位素組成基本是恆定的，其漲落規律是同位素化學的研究課題之一；④元素的起源和演化，為了弄清宇宙中各種同位素分布規律，就必須研究元素的起源和演化過程。
同位素分析
用於同位素分析的方法有： ①質譜法，是最重要的同位素分析法， 不僅精密度高， 而且可分析同位素的種類也多。 ②光譜法， 用於分析氘的精密度達0.0002％，可與質譜法相比；是分析氮15最方便的方法,已有專門的光譜儀生產;分析鈾235和鈾238則須用大型光柵攝譜儀。③氣相色譜法，用於分析氕、氘，迅速而靈敏，可測全部濃度範圍的氘含量。④核磁共振譜法,用於測量濃重水中的微量氕,精密度可達±0.01％，也可用於分析碳13、氮15等同位素。⑤中子活化分析，可用於測定硼10、鋰6和鈾235等同位素。⑥水的同位素分析，在同位素分析中占有獨特地位，這不僅出於控制重水生產流程的需要，也為了解決在同位素地球化學以及其他用氘和氧18示蹤的研究工作中的問題。水同位素分析中最有實效的方法是密度法,不僅儀器設備簡單,而且測量精度很高，此外還有紅外光譜法。
同位素分離
根據分離原理可分為五類：①根據分子或離子的質量差進行分離，有電磁法、離心分離等方法。②根據分子或離子運動速度的不同進行分離，有孔膜擴散、質量擴散、熱擴散、噴嘴擴散、分子蒸餾、電泳等方法。③根據熱力學同位素效應進行分離，有精餾、化學交換、氣相色譜、離子交換、吸收、溶劑萃取、分級結晶、超流動性等方法。④根據動力學同位素效應進行分離，有電解法、同位素化學交換法、光化學法、雷射分離法等。⑤根據生物學同位素效應進行分離。（見同位素分離、鈾同位素分離）
同位素效應
可分為四個研究方面：①光譜同位素效應，因同位素核質量的不同使原子或分子的能級發生變化，從而引起光譜譜線位移。這一效應不僅用於分析同位素，更重要的是用於研究分子結構。②熱力學同位素效應，同位素的質量差別越大，其物理、化學性質的差別也越大，是輕同位素分離的理論基礎。③動力學同位素效應,同位素的取代使反應物的能態發生變化,可引起化學反應速率的差異。此效應能用於分離同位素、研究化學反應機理和溶液理論。④生物學同位素效應，在生物學同位素效應中，以氘的效應最為顯著，尚未觀察到碳13、氮15和氧18等生命重要元素的重同位素有顯著的生物學同位素效應。（見同位素效應）。
學科間區別
相關書籍同位素化學是研究同位素在自然界的分布、同位素分析、同位素分離、同位素效應和同位素套用的化學分支學科。同位素地球化學是研究地殼中或地表各類岩石、礦物及各種沉積物、大氣、水體中同位素含量及變化的學科，根據同位素的種類，主要包括穩定同位素（如碳、氫、氧、氮、硫等）及放射性同位素。同位素由於具有非常高的地質穩定性，已廣泛套用於地質年齡的確定、成礦物質的示蹤及成礦物質的來源等方面。中國同位素地球化學資料庫，以中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學重點實驗室、有機地球化學國家重點實驗室、岩石學實驗室、岩石化學分析實驗室及礦床實驗室長期積累的各類岩石、礦物、礦石、包裹體、水體、土壤、沉積物及大氣樣品的碳、氫、氧同位素及鉛、銣、鍶、鉀、氬同位素數據為主要數據源，並收集國內外研究文獻而建成。資料庫可以實驗室這些數據的模糊查詢。可以廣泛套用於地質年齡確定、礦產資源評估、沉積學、油氣、地球化學及環境保護與研究等各個領域。
放射化學是研究放射性物質，及與原子核轉變過程相關的化學問題的化學分支學科。放射化學與原子核物理對應地關聯和交織在一起，成為核科學技術的兩個兄弟學科。放射化學主要研究放射性核素的製備、分離、純化、鑑定和它們在極低濃度時的化學狀態、核轉變產物的性質和行為，以及放射性核素在各學科領域中的套用等。20世紀60年代以來，放射化學主要圍繞核能的開發、生產、套用以及隨之而來的環境等問題，開展基礎性、開發性和套用性的研究。
學科套用
主要是利用化學合成法、同位素交換法和生物合成法等製備標記化合物，以及標記化合物在化學、生物學、醫學和農業科學研究中的套用。
