Węgiel-12, węgiel-13 i węgiel-14 to atomy węgla. Każdy z nich ma sześć protonów. Ale węgiel-12 ma sześć neutronów, węgiel-13 ma siedem, a węgiel-14 ma osiem. Są to izotopy, czyli atomy tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów. Liczba protonów definiuje pierwiastek. Liczba neutronów definiuje izotop. Większość pierwiastków ma wiele izotopów, a niektóre mają ich dziesiątki.

Izotopy zachowują się podobnie pod względem chemicznym, ponieważ mają taką samą liczbę elektronów. Różnią się jednak masą, co nieznacznie wpływa na ich właściwości fizyczne i znacząco na stabilność jądrową. Niektóre izotopy są stabilne. Inne są radioaktywne, rozpadając się z czasem i emitując promieniowanie. Węgiel C-14 jest radioaktywny, a jego okres półtrwania wynosi około 5730 lat. Dzięki temu nadaje się do datowania szczątków organicznych liczących nawet około 50 000 lat.

Izotopy mają wiele zastosowań. Deuter i tryt to izotopy wodoru wykorzystywane w syntezie jądrowej oraz jako wskaźniki w chemii. Uran-235 i uran-238 są rozdzielane na paliwo jądrowe i broń. Izotopy radioaktywne są wykorzystywane w medycynie do obrazowania i terapii. Izotopy stabilne są wykorzystywane w badaniach środowiskowych, uwierzytelnianiu żywności i kryminalistyce. Stosunek izotopów w próbce może ujawnić jej pochodzenie, historię i wiek.