同一元素的兩個原子乍一看，無論怎樣，它們都應該是相同的。但這要分很多情況，要使兩個原子真正一樣，十分困難。
首先是原子的電子狀態(tài)
一個原子的電子可以占據(jù)的可能狀態(tài)有一定范圍。同一種元素的兩個原子，如果它們的電子處于不同的狀態(tài)，那兩個原子就是不同的。
如果一個銅原子有一個電子處于激發(fā)態(tài)，而另一個銅原子的所有電子都處于基態(tài)，那么這兩個原子就不同。當電子松弛回到基態(tài)時，被激發(fā)的銅原子會發(fā)出輻射粒子（光子），而處于基態(tài)的銅原子則不會。由于原子中電子的狀態(tài)決定了原子所經歷的化學鍵合的性質，所以同一元素的兩個原子如果處于不同的狀態(tài)，就會發(fā)生不同的化學反應。
例如，一個中性的鈉原子（大塊鈉金屬）與水的反應比一個電離的鈉原子(（鹽）要強烈得多。如果你想全面地描述和預測一個原子的化學反應，光說這是什么原子是不夠的。還必須指出原子中電子的電離/激發(fā)態(tài)。即使一個原子單獨存在，它通常也不會有等量的質子和電子。
如果相同元素的兩個原子都有相同狀態(tài)的電子呢？那么它們是相同的嗎？
它們仍然不相同。同一元素處于同一電子狀態(tài)的兩個原子可以以不同的速度移動或旋轉，這影響了它們的化學鍵合能力。運動較慢的原子（如固態(tài)鐵中的原子）就有時間形成穩(wěn)定的化學鍵，而運動較快的原子（如液態(tài)鐵中的原子）則不能形成這種穩(wěn)定的鍵。緩慢移動的原子與快速移動的原子在行為上也會變現(xiàn)的不同。
如果相同元素的兩個原子的電子處于相同的狀態(tài)，原子以相同的速度運動和旋轉，結果會怎樣呢？那么它們是相同的嗎？
它們仍然不相同。雖然這兩個原子在化學性質上基本相同（它們的化學反應方式相同），但它們并不完全相同。原子中有比電子更多、更重要的東西：原子核。原子核中包含著緊密結合在一起的中子和質子。相同的化學元素可以有不同數(shù)量的中子，但仍然是相同的元素。
我們把同一種元素中中子數(shù)不同的原子稱為“同位素”。雖然所涉及的特殊同位素不會影響原子的化學反應，但它確實決定了原子在核反應中的行為。地球上最常見的核反應是放射性衰變。有些同位素會很快衰變?yōu)槠渌夭⒎派涑鲚椛洌行┩凰貏t不會。如果你正在進行碳元素定年，那么碳-12原子和碳-14原子不完全相同這一事實對定年過程至關重要。簡單地計算樣品中碳原子的數(shù)量不會給你任何關于樣品年齡的信息。我們需要計算碳的不同同位素的數(shù)量。
但如果兩個原子是相同的元素，電子處于相同的狀態(tài)，以相同的速度運動和旋轉，中子數(shù)相同，又會怎樣呢？那么它們是相同的嗎？
它們仍然不相同。就像電子一樣，原子核中的中子和質子可以處于各種激發(fā)態(tài)。此外，原子核作為一個整體可以以不同的速度旋轉和振動。因此，即使其他條件相同，兩個金原子的原子核處于不同的激發(fā)態(tài)，在核反應中的表現(xiàn)也不同。
簡單地說，很難使同一元素的兩個原子完全相同。事實上，成功地使一組原子非常接近于一模一樣的原子，足以獲得諾貝爾獎。
如果使得兩個碳原子處于完全相同的分子、原子、電子和原子核狀態(tài)，那么這兩個碳原子就是相同的，不管它們來自哪里，也不管它們過去發(fā)生了什么。
