الكربون-12، والكربون-13، والكربون-14 جميعها ذرات كربون. يحتوي كل منها على ستة بروتونات. لكن الكربون-12 يحتوي على ستة نيوترونات، والكربون-13 على سبعة، والكربون-14 على ثمانية. هذه نظائر، أي ذرات لنفس العنصر تختلف في عدد النيوترونات. يحدد عدد البروتونات العنصر، بينما يحدد عدد النيوترونات النظير. تمتلك معظم العناصر نظائر متعددة، وبعضها يمتلك عشرات النظائر.

تتشابه النظائر في سلوكها الكيميائي لاحتوائها على نفس عدد الإلكترونات. لكنها تختلف في كتلتها، مما يؤثر بشكل طفيف على خصائصها الفيزيائية، وبشكل كبير على استقرارها النووي. بعض النظائر مستقرة، بينما البعض الآخر مشع، يتحلل بمرور الوقت ويصدر إشعاعات. الكربون-14 مشع، ويبلغ عمر النصف له حوالي 5730 عامًا. وهذا ما يجعله مفيدًا في تحديد عمر البقايا العضوية التي يصل عمرها إلى حوالي 50000 عام.

للنظائر استخدامات عديدة. يُستخدم الديوتيريوم والتريتيوم، وهما نظيران للهيدروجين، في الاندماج النووي وكعناصر تتبع في الكيمياء. يُفصل اليورانيوم-235 واليورانيوم-238 لإنتاج الوقود النووي والأسلحة. تُستخدم النظائر المشعة في الطب للتصوير والعلاج. أما النظائر المستقرة فتُستخدم في الدراسات البيئية، والتحقق من سلامة الأغذية، وعلم الأدلة الجنائية. ويمكن لنسبة النظائر في العينة أن تكشف عن أصلها وتاريخها وعمرها.