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Il nucleo di ciascun atomo elementare contiene protoni, neutroni ed elettroni. Sebbene ogni elemento abbia normalmente un numero uguale di protoni ed elettroni, il numero di neutroni può variare. Quando gli atomi di un singolo elemento come il carbonio hanno un numero diverso di neutroni, e quindi diverse masse atomiche, vengono chiamati "isotopi". Come molti altri elementi, il carbonio ha un isotopo molto comune e molti altri che sono piuttosto rari.
Carbon-12
L'isotopo di carbonio più comune è il carbonio-12. Il suo nome indica che il suo nucleo contiene sei protoni e sei neutroni, per un totale di 12. Sulla Terra, il carbonio-12 rappresenta quasi il 99 percento del carbonio presente in natura. Gli scienziati usano unità di massa atomica, o amu, per misurare la massa di elementi. Carbon-12 ha un amu di esattamente 12.000. Questo numero è lo standard di riferimento per misurare la massa atomica di tutti gli altri isotopi.
Altri isotopi
Gli altri due isotopi di carbonio presenti in natura sono il carbonio-13, che comprende circa l'1 percento di tutti gli isotopi di carbonio, e il carbonio-14, che rappresenta circa i due trilioni di carbonio presente in natura. Il "13" nel carbonio-13 indica che il nucleo dell'isotopo contiene sette neutroni anziché sei. Il carbonio-14, ovviamente, contiene otto neutroni. Gli scienziati hanno anche creato isotopi di carbonio artificiale che vanno dal carbonio 8 al carbonio 22, ma gli usi pratici di questi isotopi instabili sono limitati.
Carbon-13
Gli organismi viventi mostrano una preferenza per il carbonio-12 rispetto al carbonio-13 e quindi assorbono livelli sproporzionatamente elevati di carbonio-12. Pertanto, gli scienziati possono studiare il rapporto tra carbonio-13 e carbonio-12 nei nuclei di ghiaccio e negli anelli degli alberi per stimare le concentrazioni passate di biossido di carbonio atmosferico. Allo stesso modo, i climatologi possono tracciare questo rapporto nell'acqua di mare per studiare i tassi di assorbimento dell'oceano per l'anidride carbonica.
Carbon-14
A differenza del carbonio-12 e del carbonio-13, il carbonio-14 è radioattivo. Nel tempo, gli isotopi radioattivi decadono e rilasciano una certa quantità di radiazioni. Ogni organismo vivente contiene anidride carbonica, che include una piccola quantità di carbonio-14. Dopo la morte dell'organismo, il carbonio-14 nel suo corpo decade gradualmente. Poiché gli scienziati conoscono il tasso di decadimento del carbonio-14, possono esaminare i livelli di carbonio-14 negli organismi antichi per stimare quando vivevano. Questa tecnica si chiama datazione al carbonio.