炭素12、炭素13、炭素14はすべて炭素原子です。それぞれ陽子を6個持っています。しかし、炭素12は中性子を6個、炭素13は7個、炭素14は8個持っています。これらは同位体、つまり同じ元素でありながら中性子の数が異なる原子です。陽子の数が元素を定義し、中性子の数が同位体を定義します。ほとんどの元素には複数の同位体があり、中には数十個もの同位体を持つものもあります。

同位体は電子の数が同じなので、化学的には同じように振る舞います。しかし、質量が異なるため、物理的性質はわずかに変化しますが、原子核の安定性は大きく異なります。安定な同位体もあれば、放射性同位体もあり、時間とともに崩壊して放射線を放出します。炭素14は放射性同位体で、半減期は約5,730年です。そのため、約5万年前までの有機物の年代測定に利用できます。

同位体には多くの用途があります。重水素と三重水素は水素の同位体で、核融合や化学におけるトレーサーとして利用されます。ウラン235とウラン238は、核燃料や核兵器の製造のために分離されます。放射性同位体は、医療分野で画像診断や治療に用いられます。安定同位体は、環境調査、食品の真贋鑑定、法医学などに利用されます。試料の同位体比を調べることで、その起源、歴史、年代を明らかにすることができます。