早在19世纪初，化学家发现一个事实，根据化学反应求得的原子量，大体上是氢原子量的整数倍，但是少数元素的原子除外，如镁是24.3，氯是35.5。

为了解释这种事实，1815年英国年轻化学家普劳特（W．Prout，1785—1850）提出一个看法，氢是母体，其他元素原子的原子量都是氢的整数倍。至于有的元素的原子量总是小数，这是实验误差造成的。 

1886年英国科学家克鲁克斯做了多次实验，得到结论是出现小数的原子量决非实验误差所致。他大胆地假设：同一元素的原子，可以有不同的原子量，这种原子量不同的原子，化学性质极其相似，相互混杂，因此化学家测定元素原子的原子量是各原子原子量的平均值。克鲁克斯的看法是很接近事实的，可惜当时他无法用实验来说明，因而不能取得化学界共识。

真正用实验研究这个问题的是英国科学家阿斯顿（F．W．Aston，1877—1945），他是质谱仪的发明者。而质谱仪是能够精确测定原子量的仪器。他用质谱仪测定氯的原子量总是35.457。在质谱仪照片中，氯留下一大一小两个黑斑。根据它的位置偏离程度，很容易算出氯的原子量有35和37两种，它们的比约为4∶1，由此得到原子量平均值正是35.457。阿斯顿还测定氖元素有三种原子：90％的原子量为20，9％的原子量为22，剩下不到1％原子量为21，因此求得氖的原子量为20.18。

虽然阿斯顿做了划时代的实验，但是他毕竟不是一个化学家，不能把这一工作深入下去，更不去解释原因何在。

1906年伍德沃德发现有两种半衰期不同的钍元素。差不多在同一时间内，索迪（F．Soddy，1877—1956）在加拿大测定钍元素有两种质量数的原子，一种是232，一种是228。

1910年英国的索迪首先提出同位素概念：在周期表里的位置相同而原子量不同的原子互称同位素。现在的语言是质子数相同但中子数不同的原子互称同位素。例如，钍有232和228，氯有35和37等。索迪预言一种元素有两种或两种以上的同位素，这应是普遍现象。

索迪的预言已为现代化学发展所证实。目前化学家发现，绝大多数元素有同位素，迄今已发现489种天然同位素，其中稳定的有264种，天然放射性同位素有225种，如加上人工方法制造的已超过2000种。

目前同位素可用蒸馏法、浓缩法、扩散法等方法分离。同位素的发现使化学家进一步认识到决定原子特征的不是原子量，而是核电荷数。于是化学家取得共识：根据原子核内电荷多少给原子分类，把核电荷数相同的一类原子称为元素。