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有15种已知的碳同位素，其中12个碳（占天然碳的98.93％）和13个碳（1.07％）是两个稳定的同位素。Carbon-14是寿命最长的同位素，半衰期为5,年。寿命最短的碳同位素是Carbon-8，半衰期为1.x10-21秒。同位素碳14用C表示，其中上标14是原子质量，下标6是原子序数。Carbon-14的自然丰度非常低，但其半衰期长，因此可用于辐射测。当氮14与宇宙射线中的中子反应时，就会形成碳14，并在此过程中释放出质子。碳14然后与氧气反应生成14CO2，它与12CO2均匀地分布在大气中。
N+10n-------C+11p当生物通过光合作用将二氧化碳（来自大气的14CO2和12CO2）转化为有机化合物并将其通过呼吸释放回大气中时，就开始了碳循环。在这种平衡中，生物体中存在14CO2和12CO2的固定比率。但是，当它们死亡时，平衡会停止，并且碳14根据其5,年的半衰期经历β衰变成氮14的过程。C---------N+0-1e因此，通过测量死样品中碳14的相对比例，可以计算出其死亡后经过的时间。这种放射性碳定年方法已广泛用于对至50,年历史的化石和考古标本进行定年。碳13是在许多应用中广泛使用的另一种同位素。例如，它用于核磁共振（NMR）中以确定有机化合物的分子结构。它也可与质谱仪结合用作医学研究的标记工具。