Kohlenstoff-12, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14 bestehen alle aus Kohlenstoff. Jedes dieser Atome besitzt sechs Protonen. Kohlenstoff-12 hat jedoch sechs Neutronen, Kohlenstoff-13 sieben und Kohlenstoff-14 acht. Es handelt sich um Isotope, also Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Die Protonenzahl bestimmt das Element, die Neutronenzahl das Isotop. Die meisten Elemente besitzen mehrere Isotope, manche sogar Dutzende.

Isotope verhalten sich chemisch gleich, da sie die gleiche Anzahl an Elektronen besitzen. Sie unterscheiden sich jedoch in ihrer Masse, was die physikalischen Eigenschaften geringfügig und die Kernstabilität dramatisch beeinflusst. Einige Isotope sind stabil. Andere sind radioaktiv, zerfallen mit der Zeit und geben dabei Strahlung ab. Kohlenstoff-14 ist radioaktiv und hat eine Halbwertszeit von etwa 5.730 Jahren. Daher eignet es sich zur Altersbestimmung organischer Überreste bis zu einem Alter von etwa 50.000 Jahren.

Isotope haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Deuterium und Tritium sind Wasserstoffisotope, die in der Kernfusion und als Tracer in der Chemie eingesetzt werden. Uran-235 und Uran-238 werden für die Gewinnung von Kernbrennstoff und -waffen getrennt. Radioaktive Isotope finden in der Medizin Anwendung in der Bildgebung und Therapie. Stabile Isotope werden in Umweltstudien, zur Lebensmittelauthentifizierung und in der Forensik verwendet. Das Isotopenverhältnis einer Probe kann Aufschluss über ihre Herkunft, Geschichte und ihr Alter geben.