कार्बन-12, कार्बन-13 और कार्बन-14 तीनों कार्बन ही हैं। प्रत्येक में छह प्रोटॉन होते हैं। लेकिन कार्बन-12 में छह न्यूट्रॉन, कार्बन-13 में सात और कार्बन-14 में आठ न्यूट्रॉन होते हैं। ये समस्थानिक हैं, एक ही तत्व के ऐसे परमाणु जिनमें न्यूट्रॉनों की संख्या भिन्न-भिन्न होती है। प्रोटॉनों की संख्या तत्व को परिभाषित करती है, जबकि न्यूट्रॉनों की संख्या समस्थानिक को परिभाषित करती है। अधिकांश तत्वों के कई समस्थानिक होते हैं, और कुछ के तो दर्जनों होते हैं।

समस्थानिकों का रासायनिक व्यवहार एक जैसा होता है क्योंकि उनमें इलेक्ट्रॉनों की संख्या समान होती है। लेकिन उनके द्रव्यमान में अंतर होता है, जिससे भौतिक गुणों पर थोड़ा असर पड़ता है और नाभिकीय स्थिरता में काफी अंतर आ जाता है। कुछ समस्थानिक स्थिर होते हैं। अन्य रेडियोधर्मी होते हैं, जो समय के साथ क्षय होकर विकिरण उत्सर्जित करते हैं। कार्बन-14 रेडियोधर्मी होता है, जिसकी अर्धायु लगभग 5,730 वर्ष होती है। इसी कारण यह लगभग 50,000 वर्ष पुराने जैविक अवशेषों की आयु निर्धारित करने में उपयोगी होता है।

समस्थानिकों के अनेक उपयोग हैं। ड्यूटेरियम और ट्रिटियम हाइड्रोजन के समस्थानिक हैं जिनका उपयोग परमाणु संलयन में और रसायन विज्ञान में ट्रेसर के रूप में किया जाता है। यूरेनियम-235 और यूरेनियम-238 को परमाणु ईंधन और हथियारों के लिए पृथक किया जाता है। रेडियोधर्मी समस्थानिकों का उपयोग चिकित्सा में इमेजिंग और उपचार के लिए किया जाता है। स्थिर समस्थानिकों का उपयोग पर्यावरण अध्ययन, खाद्य प्रमाणीकरण और फोरेंसिक में किया जाता है। किसी नमूने का समस्थानिक अनुपात उसकी उत्पत्ति, इतिहास और आयु का खुलासा कर सकता है।