Izotopy promieniotwórcze (radioizotopy), są niestabilnymi izotopami danego pierwiastka, które ulegają samoistnemu rozpadowi. Czas, w którym połowa jąder izotopu promieniotwórczego zanika nazywa się czasem połowicznego zaniku. Izotopy promieniotwórcze różnych pierwiastków znalazły zastosowanie w przemyśle, medycynie, badaniach naukowych itp. Radioizotopy są szeroko stosowane jako wskaźniki promieniotwórcze. Izotop radioaktywny po wprowadzeniu do związku chemicznego, układu biologicznego lub fizycznego może być śledzony za pomocą aparatury wykrywającej promieniowanie, które on emituje.
Przykłady zastosowania izotopów radioaktywnych:

• Wskaźniki promieniotwórcze stosuje się do badania dyfuzji atomów zachodzącej w ciałach stałych. Metal pokrywa się warstwą izotopu promieniotwórczego i próbkę taką pozostawia się na pewien czas w podwyższonej temperaturze. Przed i po zakończeniu wygrzewania oznacza się radioaktywność próbki, dzięki czemu można wyznaczyć, jak głęboko atomy znaczone wniknęły w próbkę pierwotną [1].
• Izotopy promieniotwórcze stosowane są w leczeniu chorób raka. Do tego celu używa się radioaktywny izotop kobaltu \( \ce{^{60}$Co$} \), który emituje promieniowanie \( {\gamma} \) zabijające komórki rakowe. Podczas stosowania takiej terapii konieczne jest stosowanie specjalnych osłon, aby zabezpieczyć osoby obsługujące aparaturę. Izotop radioaktywny fosforu \( \ce{^{32}$P$} \), który emituje promieniowanie \( {\beta} \) jest stosowany do leczenia białaczki. Do leczenia tarczycy używany jest radioaktywny izotop jodu \( \ce{^{131}$I$} \), który emituje promieniowanie \( {\gamma} \) [2]. Radioizotopy są również wykorzystywane w chemioterapii radiacyjnej. Choremu podaje się związki chemiczne zawierające izotop promieniotwórczy, który ma zdolność do migracji do miejsca chorego [3].
• Promieniowanie \( {\gamma} \) jest zabójcze dla większości grzybów i bakterii chorobotwórczych, dlatego też izotopy radioaktywne emitujące takie promieniowanie znalazły zastosowanie w sterylizacji leków, żywności i sprzętu.
• Promieniotwórcze izotopy ameryku i plutonu znalazły zastosowanie w instalacjach przeciwpożarowych (czujniki dymu) [2].
• Radioaktywne izotopy są używane w elektrowniach atomowych do produkcji energii oraz do produkcji broni masowego rażenia.
• Izotopy radioaktywne są również stosowane np. w archeologii, hydrogeologii do określania wieku badanych substancji. Metoda wykorzystująca radioaktywne izotopy do określenia wieku badanego materiału nazywa się datowaniem izotopowym.