Un fractionnement isotopique est une différence de comportement entre différents isotopes d'un même élément chimique lors d'un processus physique ou chimique donné, si bien que le ou les rapports isotopiques varient au cours du processus. C'est notamment le cas lors d'un changement d'état inabouti, d'une réaction chimique partielle ou d'un écoulement à travers un milieu poreux : le produit de la transformation partielle a une composition isotopique légèrement différente de celle du matériau de départ. La différence est plus notable pour les éléments légers (de faible masse atomique) que pour les éléments plus lourds. Quand on considère plus de deux isotopes, la variation des différentes propriétés quantitatives entre ces isotopes est pratiquement proportionnelle à leur différence de masse[a].
En pratique on désigne souvent par « fractionnement isotopique » (voire simplement « fractionnement ») le rapport de fractionnement (où r désigne un rapport isotopique) ou son écart à l'unité, (voir Notation Δ).
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