Zu Beginn des 20. Jahrhunderts fanden Wissenschaftler durch die Erforschung radioaktiver Elemente immer mehr Elemente, die durch Zerfall aus den radioaktiven Elementen entstanden. Ihnen wurden Namen wie Uran X, Uran II; Thorium X oder Mesothorium gegeben, da sie in diesen Fällen aus den radioaktiven Elementen Uran und Thorium entstanden.

Frederick Soddy und seine Mitarbeiter erforschten diese sogenannten Zerfallsreihen und kamen zunächst zu dem Ergebnis, dass es anscheinend über 40 verschiedene dieser radioaktiven Elemente geben sollte, die sich im Periodensystem 11 Plätze „teilen“ müssten. Um dieses Problem zu lösen, untersuchte Soddy 1910 die neuen radioaktiven Elemente genauer und konnte feststellen, dass einige dieser Elemente chemisch nicht voneinander zu trennen waren. Mesothorium, Thorium X und das Element Radium waren anscheinend ununterscheidbar in ihren chemischen Eigenschaften.

Diese Entdeckungen führten 1913 dazu, dass Soddy und ein anderer Wissenschaftler, Kazimierz Fajans, unabhängig voneinander die radioaktiven Verschiebungssätze aufstellten:

• Zerfällt ein radioaktives Element und sendet dabei α-Teilchen, also einen Heliumatomkern, aus, entsteht ein Element, welches im Periodensystem zwei Plätze weiter links liegt, also eine geringere Masse hat. So entsteht aus Thorium, durch α-Zerfall das Element Radium (Mesothorium).
• Zerfällt ein radioaktives Element und sendet dabei β-Teilchen, also Elektronen, aus, entsteht ein Element, welches im Periodensystem einen Platz weiter rechts liegt, aber die gleiche Masse hat.

Diese Regeln erklärten, die Vielfalt der gefundenen „neuen Elemente“, die alle bereits bekannte Elemente waren, aber in radioaktiven Zerfallsreihen entstehen konnten.

Soddy und andere Wissenschaftler erkannten aus diesen Ergebnissen und den Verschiebungssätzen, dass Atomkerne eines Elements unterschiedlich schwer sein mussten. Soddy nannte diese Atomsorten, die zum gleichen Element gehören, aber unterschiedliche Massen haben mussten, Isotope.

Durch die Massenspektrometrie konnte in den darauffolgenden Jahren die Existenz von Isotopen bewiesen werden. Auch natürlich vorkommende Elemente, wie zum Beispiel Neon oder Chlor, bestehen aus Atomkernen, die unterschiedliche Massen besitzen.

Durch die Entdeckung der Isotope wurde auch klar, warum die meisten Elemente keine ganzzahligen Atommassen hatten.

Bereits Mendelejew musste bei seiner Modellierung des Periodensystems der Elemente feststellen, dass der „Platz“ eines Elements im Periodensystem wohl nicht von der Atommasse abhängen konnte. Er musste bei einigen Elementen die Plätze tauschen, um bei der Anordnung auch die periodischen Eigenschaften der Elemente zu beachten. Die Entdeckung der Isotope lieferte auch für diese zunächst einfach getroffene Annahme, eine korrekte Begründung: Die Ordnung der Elemente beruht auf der Kernladung und nicht auf der Atommasse.