Le noyau de chaque atome élémentaire contient des protons, des neutrons et des électrons. Bien que chaque élément ait normalement un nombre égal de protons et d'électrons, le nombre de neutrons peut varier. Lorsque les atomes d'un même élément comme le carbone ont des nombres de neutrons différents, et donc des masses atomiques différentes, ils sont appelés « isotopes ». Comme beaucoup d'autres éléments, le carbone a un isotope très commun, et plusieurs autres qui sont assez peu fréquent.
Carbone-12
L'isotope du carbone le plus courant est le carbone 12. Son nom signifie que son noyau contient six protons et six neutrons, pour un total de 12. Sur Terre, le carbone 12 représente près de 99 % du carbone naturel. Les scientifiques utilisent des unités de masse atomique, ou amu, pour mesurer la masse des éléments. Carbon-12 a un amu d'exactement 12.000. Ce nombre est l'étalon de référence pour mesurer la masse atomique de tous les autres isotopes.
Autres isotopes
Les deux autres isotopes naturels du carbone sont le carbone-13, qui comprend environ 1 % de tous les isotopes du carbone, et le carbone 14, qui représente environ deux billions de carbone. Le « 13 » dans le carbone-13 indique que le noyau de l'isotope contient sept neutrons au lieu de six. Le carbone-14, bien sûr, contient huit neutrons. Les scientifiques ont également créé des isotopes artificiels du carbone allant du carbone 8 au carbone 22, mais les utilisations pratiques de ces isotopes instables sont limitées.
Carbone-13
Les organismes vivants montrent une préférence pour le carbone-12 par rapport au carbone-13 et absorbent donc des niveaux disproportionnellement élevés de carbone-12. Ainsi, les scientifiques peuvent étudier le rapport du carbone 13 au carbone 12 dans les carottes de glace et les cernes des arbres pour estimer les concentrations passées de dioxyde de carbone atmosphérique. De même, les climatologues peuvent suivre ce rapport dans l'eau de mer pour étudier les taux d'absorption du dioxyde de carbone par l'océan.
Carbone-14
Contrairement au carbone 12 et au carbone 13, le carbone 14 est radioactif. Au fil du temps, les isotopes radioactifs se désintègrent et libèrent une certaine quantité de rayonnement. Chaque organisme vivant absorbe du dioxyde de carbone, qui comprend une petite quantité de carbone-14. Après la mort de l'organisme, le carbone 14 de son corps se désintègre progressivement. Parce que les scientifiques connaissent la vitesse à laquelle le carbone 14 se désintègre, ils peuvent examiner les niveaux de carbone 14 dans les organismes anciens pour estimer quand ils vivaient. Cette technique est appelée datation au carbone.