19世纪末，随着越来越多的放射性“新”元素被发现，在由门捷列夫等人制定的元素周期表中，已经没有足够的空位容纳它们了。是否它们不属于周期表的范围呢？当然不是的。1910年同位素被发现，无疑使元素周期表的范围扩大了许多，使人类认识并可以利用的化学元素的实际数量增加了很多倍。同位素的发现，被认为是20世纪自然科学的重要成果之一。
1910年，科学家约翰·汤姆逊发现，带电气体原子（离子）受电场或磁场影响发生偏转时，能够对它们的质量加以测定。在同一个正电荷的作用下，较轻的原子比较重的原子更大地偏离它们的轨道，正如从旁边刮来的风，把乒乓球吹离轨道的距离比同样体积但更重一些的橡皮球更远一些。汤姆逊采用这个办法能比以往更加精确地测定不同元素的原子量。
汤姆逊让偏转的气体离子（带正电的气体原子）落在照相底片上。在洗印底片时，他发现离子触及的地方有一道黑线。当他开始测定惰性气体氖的原子量时——照以往方式计算，其原子量是20.2.而这次发现底片上有两道黑线。第一道表明原子量是20，第二道表明原子量是22.这是一个惊人的发现：以往人们总认为同一个元素的所有原子是完全相同的，现在看来，氖元素是由两种原子构成的，它们被确定具有相同的化学性能，但是重量不等，因此具有不同的原子量。这就是同位素。
后来，英国放射化学家、牛津大学教授索迪根据以上实验事实，提出了以下假设：“存在有原子量和放射性不同但物理和化学性质完全相同的化学元素的变种，这些变种应该处于元素周期表的同一个位置上，因此把它们命名为同位素（指同一个位置）。”同位素的发现，使元素周期表的范围扩大了许多，使人类认识并可以利用的化学元素的实际数量增加了很多倍。因此，同位素的发现被认为是20世纪自然科学的重要成果之一。索迪也因此而获得了1921年诺贝尔化学奖。
过了一年之后，随着更多的放射性同位素的出现，索迪进一步指出：“一种化学元素有两种或两种以上的同位素变种的存在可能是普遍现象，也就是说，非放射性元素也会有几种稳定的同位素。但是，要识别稳定同位素，就需要找到一种能将质量不同的同位素彼此分离并分别称量的方法。”
1919年，索迪提出的难题由英国物理学家、剑桥大学教授阿斯顿解决了。他设计了一台质谱仪。
阿斯顿利用质谱仪研究同位素，发现氖、氩、氪、氯等元素都有同位素存在。随后，他又在71种元素中发现了202种同位素。同位素用途很广，大致可分为两类：一类是利用其辐射、核磁矩等核性质，一类是基于同一元素所有同位素化学性质相同这一事实。因此，阿斯顿被世人称为“同位素猎手”。