这张图用“轻、重球挂在相同弹簧上”的模型，说明同位素分馏为何会发生。两只球代表同一元素的轻、重同位素；两根弹簧代表它们所处的化学键。弹簧相同，表示两者的化学性质总体十分接近，参与的仍是同一种化学反应或物理过程；球的质量不同，则代表同位素质量存在细微差异。在相同弹簧作用下，较轻的球振动频率更高，较重的球振动频率更低。这与分子中的原子振动相对应：轻同位素形成的化学键振动较快，重同位素形成的化学键振动较慢。振动频率不同，意味着分子的振动能级分布不同，尤其是零点能不同。通常，轻同位素体系零点能较高，重同位素体系零点能较低；因此在许多平衡条件下，重同位素相对更容易富集在化学键较强、结构更稳定的物质或相态中。这种差别非常小，单个分子或一次反应往往难以直观观察。但当地球化学过程持续发生时，例如扩散、蒸发、凝结、溶解、沉淀、氧化还原、矿物—流体交换或生物代谢，轻、重同位素参与过程的速率或平衡分配会略有不同。这些微小差异不断累积，便导致产物、残余物或不同相态之间出现可测的同位素组成差异，即同位素分馏。需要强调，弹簧模型主要解释分馏的物理基础，并不意味着轻同位素在任何情况下都一定“更快”或总是优先进入某一产物。实际分馏方向和幅度取决于具体过程：是平衡还是动力学控制，温度高低，反应是否可逆，以及体系是否开放等。因此，同位素分析不仅用于判断物质来源，更重要的是通过分馏特征识别物质经历过怎样的过程。

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