同一元素的两个原子乍一看，无论怎样，它们都应该是相同的。但这要分很多情况，要使两个原子真正一样，十分困难。
首先是原子的电子状态
一个原子的电子可以占据的可能状态有一定范围。同一种元素的两个原子，如果它们的电子处于不同的状态，那两个原子就是不同的。
如果一个铜原子有一个电子处于激发态，而另一个铜原子的所有电子都处于基态，那么这两个原子就不同。当电子松弛回到基态时，被激发的铜原子会发出辐射粒子（光子），而处于基态的铜原子则不会。由于原子中电子的状态决定了原子所经历的化学键合的性质，所以同一元素的两个原子如果处于不同的状态，就会发生不同的化学反应。
例如，一个中性的钠原子（大块钠金属）与水的反应比一个电离的钠原子(（盐）要强烈得多。如果你想全面地描述和预测一个原子的化学反应，光说这是什么原子是不够的。还必须指出原子中电子的电离/激发态。即使一个原子单独存在，它通常也不会有等量的质子和电子。
如果相同元素的两个原子都有相同状态的电子呢？那么它们是相同的吗？
它们仍然不相同。同一元素处于同一电子状态的两个原子可以以不同的速度移动或旋转，这影响了它们的化学键合能力。运动较慢的原子（如固态铁中的原子）就有时间形成稳定的化学键，而运动较快的原子（如液态铁中的原子）则不能形成这种稳定的键。缓慢移动的原子与快速移动的原子在行为上也会变现的不同。
如果相同元素的两个原子的电子处于相同的状态，原子以相同的速度运动和旋转，结果会怎样呢？那么它们是相同的吗？
它们仍然不相同。虽然这两个原子在化学性质上基本相同（它们的化学反应方式相同），但它们并不完全相同。原子中有比电子更多、更重要的东西：原子核。原子核中包含着紧密结合在一起的中子和质子。相同的化学元素可以有不同数量的中子，但仍然是相同的元素。
我们把同一种元素中中子数不同的原子称为“同位素”。虽然所涉及的特殊同位素不会影响原子的化学反应，但它确实决定了原子在核反应中的行为。地球上最常见的核反应是放射性衰变。有些同位素会很快衰变为其他元素并放射出辐射，而有些同位素则不会。如果你正在进行碳元素定年，那么碳-12原子和碳-14原子不完全相同这一事实对定年过程至关重要。简单地计算样品中碳原子的数量不会给你任何关于样品年龄的信息。我们需要计算碳的不同同位素的数量。
但如果两个原子是相同的元素，电子处于相同的状态，以相同的速度运动和旋转，中子数相同，又会怎样呢？那么它们是相同的吗？
它们仍然不相同。就像电子一样，原子核中的中子和质子可以处于各种激发态。此外，原子核作为一个整体可以以不同的速度旋转和振动。因此，即使其他条件相同，两个金原子的原子核处于不同的激发态，在核反应中的表现也不同。
简单地说，很难使同一元素的两个原子完全相同。事实上，成功地使一组原子非常接近于一模一样的原子，足以获得诺贝尔奖。
如果使得两个碳原子处于完全相同的分子、原子、电子和原子核状态，那么这两个碳原子就是相同的，不管它们来自哪里，也不管它们过去发生了什么。
