De kern van elk elementair atoom bevat protonen, neutronen en elektronen. Hoewel elk element normaal een gelijk aantal protonen en elektronen heeft, kan het aantal neutronen variëren. Wanneer atomen van een enkel element zoals koolstof verschillende aantallen neutronen hebben, en dus verschillende atoommassa's, worden ze "isotopen" genoemd. Net als veel andere elementen heeft koolstof één zeer veel voorkomende isotoop en verschillende andere die vrij zeldzaam zijn.

Koolstof-12

De meest voorkomende koolstof-isotoop is koolstof-12. De naam betekent dat de kern zes protonen en zes neutronen bevat, voor een totaal van 12. Op aarde is koolstof-12 verantwoordelijk voor bijna 99 procent van de natuurlijke koolstof. Wetenschappers gebruiken atomaire massa-eenheden, of amu, om de massa elementen te meten. Carbon-12 heeft een amu van exact 12.000. Dit nummer is de referentiestandaard voor het meten van de atomaire massa van alle andere isotopen.

Andere isotopen

De andere twee van nature voorkomende koolstofisotopen zijn koolstof-13, die ongeveer 1 procent van alle koolstof bevat isotopen en koolstof-14, die ongeveer twee-biljoensten van natuurlijk voorkomende koolstof uitmaken. De "13" in koolstof-13 geeft aan dat de kern van de isotoop zeven neutronen bevat in plaats van zes. Koolstof-14 bevat natuurlijk acht neutronen. Wetenschappers hebben ook kunstmatige koolstofisotopen gemaakt, variërend van koolstof-8 tot koolstof-22, maar de praktische toepassingen van deze onstabiele isotopen zijn beperkt.

Koolstof-13

Levende organismen hebben een voorkeur voor koolstof -12 ten opzichte van koolstof-13, en daarom onevenredig hoge niveaus van koolstof-12 absorberen. Zo kunnen wetenschappers de verhouding van koolstof-13 tot koolstof-12 in ijskernen en boomringen bestuderen om eerdere concentraties van kooldioxide in de atmosfeer te schatten. Evenzo kunnen klimatologen deze verhouding in zeewater traceren om de opnamesnelheden van de oceaan voor koolstofdioxide te bestuderen.

Koolstof-14

In tegenstelling tot koolstof-12 en koolstof-13 is koolstof-14 radioactief. Na verloop van tijd vervalt radioactief isotopen en wordt een bepaalde hoeveelheid straling afgegeven. Elk levend organisme neemt kooldioxide in, wat een kleine hoeveelheid koolstof-14 bevat. Nadat het organisme sterft, neemt de koolstof-14 in zijn lichaam geleidelijk af. Omdat wetenschappers de snelheid kennen waarmee koolstof-14 wegsterft, kunnen ze de koolstof-14 niveaus in oude organismen onderzoeken om te schatten wanneer ze leefden. Deze techniek wordt koolstofdatering genoemd.