原理
自然界中組成每個元素的穩定核素和放射性核素大體具有相同的物理性質和化學性質，即放射性核素或稀有穩定核素的原子、分子及其化合物，與普通物質的相應原子、分子及其化合物具有相同的物理和化學性質。因此 ，可利用放射性核素或經富集的稀有穩定核素來示蹤待研究的客觀世界及其過程變化。通過放射性測量方法，可觀察由放射性核素標記的物質的分布和變化情況；對經富集的稀有穩定核素或者可用質譜法直接測定，亦可用中子活化法加以測定。
歷史
G.赫維西最初於1912年提出同位素示蹤技術，並相繼開展了許多同位素示蹤研究。由於其開創性貢獻，赫維西於1943年獲諾貝爾化學獎。從20世紀30年代開始，隨著重氫同位素和人工放射性的發現，同位素示蹤技術開始廣泛套用於基礎科學和套用科學的各個領域。
套用
同位素示蹤技術在工業、農業、生物醫學等眾多領域中都有重要的套用價值。
①工業中的套用。在工業活動中，示蹤原子為使用多種高性能的檢測方法和生產過程自動控制方法提供了可能性，克服了傳統檢測方法難以完成甚至無法完成的難題。如石油工業中採用放射性核素示蹤微球等方法測繪注水井吸水剖面，為評價地層，調整注水量的分配，實現石油的增產和穩產作出了貢獻。在機械工業中可用氪（Kr）化技術進行機械磨損研究，測量一些其他方法不能完成的運動部件的最高工作溫度和溫度分布。此外，這一靈敏度很高的Kr檢漏方法也在機械工業產品、機械零部件和金屬真空系統的檢漏，以及電子工業半導體器件的檢漏中得到套用。在鋼鐵工業中，可用同位素示蹤技術測定高爐爐壁的腐蝕程度。水利工程中可用來探測大壩的滲漏情況等。
②農業中的套用。主要套用於研究施肥方法、途徑及其肥效；殺蟲劑和除莠劑對昆蟲和雜草的抑制和殺滅作用；植物激素和生長刺激素對農作物代謝和功能的影響；激素、維生素、微量元素、飼料和藥物對家畜生長和發育的影響；昆蟲、寄生蟲、魚及動物等的生命周期、遷徙規律、交配和覓食習性等。此外，正是由於放射性同位素C的套用，導致了自然界中光合作用機理的發現。
③生物醫學中的套用。主要套用於臨床論斷和醫學研究方面。如H和O雙標記的葡萄糖可用於研究人體能量的攝入和消耗過程；用Cr標記方法可研究人體的血量；用I可研究甲狀腺功能；用Fe可研究缺鐵性貧血；用放射性同位素或經富集的稀有稀土核素，可研究稀土元素在生物體內的分布、蓄積和代謝規律；用F標記的葡萄糖可研究腦血流量及其代謝活動等。
④環境研究中的套用。同位素示蹤技術可用於研究環境各介質（水圈、土壤圈、大氣圈、生物圈等）中污染物的分布、遷移和富集規律，從靜態和動態兩方面，研究污染物的時空特徵。如用長壽命放射性核素Cl標記有機鹵族化合物，研究其在環境中的行為。用經富集的、穩定的Hg或Hg，研究汞在大氣圈、水圈和生物圈中的轉移、甲基化過程及其環境效應。
⑤基礎科學研究中的套用。同位素示蹤技術已在物理、化學、生物、地學等基礎研究中發揮了重要作用。典型例子有，用P放射性同位素示蹤揭示了DNA的結構以及RNA的一級結構，再結合放射自顯影法，即可閱讀核苷酸順序。此外，在化學反應機理及其動力學過程、天文地質學的一些重大基礎問題（恐龍絕滅和銥異常、隕石演化史等）、岩石學和礦物學等研究中，同位素示蹤都是一種重要的套用技術。
