Jezgra svakog elementarnog atoma sadrži protone, neutrone i elektrone. Iako svaki element normalno ima jednak broj protona i elektrona, broj neutrona može varirati. Kad atomi pojedinog elementa poput ugljika imaju različit broj neutrona, a time i različite atomske mase, oni nazivaju se "izotopi". Kao i mnogi drugi elementi, ugljik ima jedan vrlo uobičajeni izotop, a nekoliko drugih je prilično rijetko.
Ugljik-12
Najčešći izotop ugljika je ugljik-12. Njegovo ime označava da njegova jezgra sadrži šest protona i šest neutrona, ukupno 12. Na Zemlji ugljik-12 čini gotovo 99 posto ugljika koji se javlja u prirodi. Znanstvenici koriste atomske jedinice mase, ili amu, za mjerenje mase elemenata. Carbon-12 ima amu od točno 12.000. Ovaj je broj referentni standard za mjerenje atomske mase svih ostalih izotopa.
Ostali izotopi
Ostala dva prirodna izotopa ugljika su ugljik-13, koji sadrži približno 1 posto svih ugljikovih izotopa i ugljik-14, na koji otpada oko dvije bilijunine prirodnih pojava ugljik. "13" u ugljiku-13 označava da jezgra izotopa sadrži sedam neutrona umjesto šest. Ugljik-14, naravno, sadrži osam neutrona. Znanstvenici su također stvorili umjetne izotope ugljika u rasponu od ugljika-8 do ugljika-22, ali praktična upotreba ovih nestabilnih izotopa je ograničena.
Ugljik-13
Živi organizmi preferiraju ugljik-12 u odnosu na ugljik-13, pa apsorbiraju nerazmjerno visoku razinu ugljika-12. Dakle, znanstvenici mogu proučavati omjer ugljika-13 prema ugljiku-12 u ledenim jezgrama i prstenovima kako bi procijenili prošle koncentracije atmosferskog ugljičnog dioksida. Slično tome, klimatolozi mogu pratiti taj omjer u morskoj vodi kako bi proučavali stope apsorpcije ugljičnog dioksida u oceanu.
Ugljik-14
Za razliku od ugljika-12 i ugljika-13, ugljik-14 je radioaktivan. Vremenom se radioaktivni izotopi raspadaju i oslobađaju određenu količinu zračenja. Svaki živi organizam unosi ugljični dioksid, koji uključuje malu količinu ugljika-14. Nakon što organizam umre, ugljik-14 u njegovom tijelu postupno propada. Budući da znanstvenici znaju brzinu raspadanja ugljika-14, mogu ispitati razinu ugljika-14 u drevnim organizmima kako bi procijenili kada su živjeli. Ova tehnika naziva se datiranje ugljikom.