탄소-12, 탄소-13, 탄소-14는 모두 탄소입니다. 각각 양성자가 6개씩 있습니다. 하지만 탄소-12는 중성자가 6개, 탄소-13은 7개, 탄소-14는 8개입니다. 이들은 동위원소로, 같은 원소이지만 중성자 수가 다른 원자입니다. 양성자의 수는 원소를 정의하고, 중성자의 수는 동위원소를 정의합니다. 대부분의 원소는 여러 개의 동위원소를 가지고 있으며, 어떤 원소는 수십 개의 동위원소를 가지고 있습니다.

동위원소는 전자 수가 같기 때문에 화학적으로는 동일하게 작용합니다. 하지만 질량이 다르기 때문에 물리적 성질에는 약간의 영향을 미치고 핵의 안정성에는 큰 영향을 줍니다. 어떤 동위원소는 안정적이지만, 어떤 동위원소는 방사성 동위원소로 시간이 지남에 따라 붕괴하면서 방사선을 방출합니다. 탄소-14는 방사성 동위원소이며 반감기는 약 5,730년입니다. 따라서 탄소-14는 약 5만 년 전까지의 유기물 연대 측정에 유용하게 사용됩니다.

동위원소는 다양한 용도로 사용됩니다. 중수소와 삼중수소는 핵융합에 사용되는 수소 동위원소이며 화학 실험에서는 추적자로 사용됩니다. 우라늄-235와 우라늄-238은 핵연료와 핵무기 제조를 위해 분리됩니다. 방사성 동위원소는 의학에서 영상 진단 및 치료에 사용됩니다. 안정 동위원소는 환경 연구, 식품 감정 및 법의학에 사용됩니다. 시료의 동위원소 비율을 분석하면 시료의 기원, 역사 및 연대를 알 수 있습니다.