Jadro každého elementárneho atómu obsahuje protóny, neutróny a elektróny. Aj keď má každý prvok normálne rovnaký počet protónov a elektrónov, počet neutrónov sa môže meniť. Keď majú atómy jedného prvku ako uhlík rôzny počet neutrónov, a teda rozdielne atómové hmotnosti, majú ich sa nazývajú „izotopy“. Rovnako ako mnoho ďalších prvkov, aj uhlík má jeden veľmi bežný izotop a niekoľko ďalších, ktoré sú celkom zriedkavé.
Uhlík-12
Najbežnejším izotopom uhlíka je uhlík-12. Jeho názov znamená, že jeho jadro obsahuje šesť protónov a šesť neutrónov, spolu teda 12. Na Zemi predstavuje uhlík-12 takmer 99 percent prirodzene sa vyskytujúceho uhlíka. Vedci používajú jednotky atómovej hmotnosti alebo amu na meranie hmotnosti prvkov. Uhlík-12 má amu presne 12 000. Toto číslo je referenčným štandardom na meranie atómovej hmotnosti všetkých ostatných izotopov.
Ostatné izotopy
Ďalšie dva prirodzene sa vyskytujúce izotopy uhlíka sú uhlík-13, ktorý obsahuje približne 1 percento všetkých izotopov uhlíka a uhlík-14, ktorý predstavuje asi dve triliónty prirodzene sa vyskytujúcich látok uhlík. „13“ v uhlíku-13 naznačuje, že jadro izotopu obsahuje sedem neutrónov namiesto šiestich. Uhlík-14 samozrejme obsahuje osem neutrónov. Vedci tiež vytvorili umelé izotopy uhlíka v rozmedzí od uhlíka-8 do uhlíka-22, ale praktické využitie týchto nestabilných izotopov je obmedzené.
Uhlík-13
Živé organizmy uprednostňujú uhlík-12 pred uhlíkom-13, a preto absorbujú neprimerane vysoké hladiny uhlíka-12. Vedci teda môžu študovať pomer uhlíka-13 k uhlíku-12 v ľadových jadrách a stromových prstencoch, aby mohli odhadnúť minulé koncentrácie atmosférického oxidu uhličitého. Klimatológovia môžu podobne sledovať tento pomer v morskej vode a študovať absorpčné rýchlosti oxidu uhličitého v oceáne.
Uhlík-14
Na rozdiel od uhlíka-12 a uhlíka-13 je uhlík-14 rádioaktívny. Rádioaktívne izotopy sa časom rozpadajú a uvoľňujú určité množstvo žiarenia. Každý živý organizmus prijíma oxid uhličitý, ktorý obsahuje malé množstvo uhlíka-14. Po odumretí organizmu sa uhlík-14 v tele postupne rozpadá. Pretože vedci vedia, ako rýchlo sa uhlík 14 rozpadá, môžu preskúmať hladinu uhlíka 14 v starodávnych organizmoch a odhadnúť, kedy žijú. Táto technika sa nazýva datovanie uhlíkom.