同位体を深く理解する上で欠かせないのが、水素の同位体と重水素のケーススタディです。通常の水素原子（軽水素、1H）は、原子核に陽子が1個あるだけで中性子を持ちません。これに対し、中性子を1個持ったものが重水素（デューテリウム、2HまたはD）、中性子を2個持ったものが三重水素（トリチウム、3HまたはT）です。
軽水素と重水素では質量が約2倍も異なるため、同位体としては例外的に物理的性質の差が目立ちます。例えば重水素と酸素が結合した「重水（D2O）」は、通常の水（H2O）よりも沸点が約101.4℃と高く、融点も約3.8℃と異なります。この現象は同位体効果と呼ばれ、原子力工学や生化学トレーサーにおいて極めて重要視されています。
また、計算問題の主役となるのが同位体の具体例と存在比です。高校化学で必須となる塩素（Cl）の原子量算出は、その代表例と言えます。
- 質量数35の塩素（35Cl）：天然存在比 約75.76%（計算上はおよそ75% = 3/4）
- 質量数37の塩素（37Cl）：天然存在比 約24.24%（計算上はおよそ25% = 1/4）
周期表に記載されている塩素の原子量「35.5」は、これらの質量数に存在比を掛け合わせた加重平均（35×0.75 + 37×0.25 = 35.5）によって導き出された客観的な数値です。
さらに、原子核が不安定で放射線を放ちながら他の原子へと崩壊していくものを放射性同位体ラジオアイソトープと呼びます。大気中の二酸化炭素に含まれる炭素14（14C）の半減期（約5730年）を利用した考古学の年代測定法や、医療現場におけるPET検査（陽電子放出断層撮影）の診断用試薬など、現代の高度科学技術の屋台骨を支えています。
