Le carbone 12, le carbone 13 et le carbone 14 sont tous des atomes de carbone. Chacun possède six protons. Cependant, le carbone 12 possède six neutrons, le carbone 13 en possède sept et le carbone 14 en possède huit. Ce sont des isotopes, des atomes d'un même élément présentant un nombre différent de neutrons. Le nombre de protons définit l'élément. Le nombre de neutrons définit l'isotope. La plupart des éléments possèdent plusieurs isotopes, et certains en possèdent des dizaines.

Les isotopes ont des propriétés chimiques identiques car ils possèdent le même nombre d'électrons. Cependant, leur masse diffère, ce qui influe légèrement sur leurs propriétés physiques et considérablement sur leur stabilité nucléaire. Certains isotopes sont stables, tandis que d'autres sont radioactifs : ils se désintègrent avec le temps en émettant des rayonnements. Le carbone 14 est radioactif et sa demi-vie est d'environ 5 730 ans. Cette caractéristique le rend utile pour dater les restes organiques jusqu'à environ 50 000 ans.

Les isotopes ont de nombreuses applications. Le deutérium et le tritium sont des isotopes de l'hydrogène utilisés dans la fusion nucléaire et comme traceurs en chimie. L'uranium 235 et l'uranium 238 sont séparés pour la fabrication de combustible nucléaire et d'armes nucléaires. Les isotopes radioactifs sont utilisés en médecine pour l'imagerie et la thérapie. Les isotopes stables sont utilisés dans les études environnementales, l'authentification des aliments et la médecine légale. Le rapport isotopique d'un échantillon peut révéler son origine, son histoire et son âge.