Les isotopes d'un même élément ont le même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différent. Les neutrons sont des particules subatomiques qui contribuent à la masse globale d'un atome, mais n'affectent pas ses propriétés chimiques. En conséquence, les isotopes d’un même élément ont un comportement chimique très similaire, mais peuvent avoir des propriétés physiques légèrement différentes, comme la densité.

La densité est définie comme la masse par unité de volume. Puisque les isotopes ont le même nombre de protons, ils auront un nombre similaire d’électrons en orbite autour du noyau. Cela signifie que la charge globale de l’atome reste la même. Cependant, l’ajout de neutrons augmente la masse de l’atome sans modifier significativement sa taille. En conséquence, les isotopes contenant plus de neutrons auront une densité plus élevée que les isotopes contenant moins de neutrons.

Par exemple, considérons le carbone-12 et le carbone-13. Le carbone 12 possède 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons, tandis que le carbone 13 possède 6 protons, 7 neutrons et 6 électrons. L’ajout d’un neutron augmente la masse du carbone 13 d’environ 1,6 %, mais ne modifie pas significativement sa taille. En conséquence, le carbone 13 est plus dense que le carbone 12.

La différence de densité entre les isotopes peut être utilisée pour les séparer. Cela se fait grâce à un processus appelé séparation isotopique, qui est utilisé dans diverses applications, telles que la production de combustible nucléaire et l'enrichissement de l'uranium destiné à être utilisé dans les réacteurs nucléaires.