Der Kern jedes Elementaratoms enthält Protonen, Neutronen und Elektronen. Obwohl jedes Element normalerweise die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen hat, kann die Anzahl der Neutronen variieren. Wenn Atome eines einzelnen Elements wie Kohlenstoff unterschiedliche Neutronenzahlen und damit unterschiedliche Atommassen haben, dann werden „Isotope“ genannt. Wie viele andere Elemente hat Kohlenstoff ein sehr häufiges Isotop und mehrere andere, die ziemlich Selten.
Kohlenstoff-12
Das häufigste Kohlenstoffisotop ist Kohlenstoff-12. Sein Name bedeutet, dass sein Kern sechs Protonen und sechs Neutronen enthält, also insgesamt 12. Auf der Erde macht Kohlenstoff-12 fast 99 Prozent des natürlich vorkommenden Kohlenstoffs aus. Wissenschaftler verwenden atomare Masseneinheiten oder Amu, um die Masse von Elementen zu messen. Carbon-12 hat eine Amu von genau 12.000. Diese Zahl ist der Referenzstandard für die Messung der Atommasse aller anderen Isotope.
Andere Isotope
Die anderen beiden natürlich vorkommenden Kohlenstoffisotope sind Kohlenstoff-13, der etwa 1 Prozent ausmacht aller Kohlenstoffisotope und Kohlenstoff-14, der etwa zwei Billionstel der natürlich vorkommenden Kohlenstoff. Die „13“ in Kohlenstoff-13 zeigt an, dass der Kern des Isotops sieben statt sechs Neutronen enthält. Kohlenstoff-14 enthält natürlich acht Neutronen. Wissenschaftler haben auch künstliche Kohlenstoffisotope von Kohlenstoff-8 bis Kohlenstoff-22 geschaffen, aber der praktische Nutzen dieser instabilen Isotope ist begrenzt.
Kohlenstoff-13
Lebende Organismen bevorzugen Kohlenstoff-12 gegenüber Kohlenstoff-13 und nehmen daher überproportional viel Kohlenstoff-12 auf. So können Wissenschaftler das Verhältnis von Kohlenstoff-13 zu Kohlenstoff-12 in Eisbohrkernen und Baumringen untersuchen, um vergangene Konzentrationen von atmosphärischem Kohlendioxid abzuschätzen. In ähnlicher Weise können Klimatologen dieses Verhältnis im Meerwasser verfolgen, um die Absorptionsraten des Ozeans für Kohlendioxid zu untersuchen.
Kohlenstoff-14
Im Gegensatz zu Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 ist Kohlenstoff-14 radioaktiv. Im Laufe der Zeit zerfallen radioaktive Isotope und setzen eine bestimmte Menge Strahlung frei. Jeder lebende Organismus nimmt Kohlendioxid auf, das eine kleine Menge Kohlenstoff-14 enthält. Nachdem der Organismus gestorben ist, zerfällt der Kohlenstoff-14 in seinem Körper allmählich. Da Wissenschaftler die Geschwindigkeit kennen, mit der Kohlenstoff-14 zerfällt, können sie den Kohlenstoff-14-Gehalt in alten Organismen untersuchen, um abzuschätzen, wann sie gelebt haben. Diese Technik wird Kohlenstoffdatierung genannt.