Isotop suatu unsur kimia tertentu disebut masing-masing varian yang dapat ada dari atom unsur tersebut. Perbedaan antara atom-atom isotop terletak pada jumlah neutron yang terdapat dalam nukleus. Jumlah proton selalu sama, karena jumlah proton menentukan unsur kimia mana yang sedang kita bicarakan. Sebaliknya, jumlah neutron dapat bervariasi, sehingga menimbulkan isotop yang berbeda dari setiap unsur.
Di alam, kita dapat menemukan berbagai isotop karbon. Yang paling umum adalah karbon 12, karbon 13, dan karbon 14. Angka-angka ini menunjukkan nomor massa untuk setiap isotop. Nomor atom selalu sama, karena semua isotop ini memiliki 6 proton, dan yang kemudian bervariasi di masing-masing isotop adalah jumlah neutron yang ada dalam nukleus: masing-masing enam, tujuh dan delapan.
Sifat kimia dari masing-masing isotop karbon ini serupa. Hampir semua karbon dioksida yang ada di atmosfer terdiri dari karbon 12. Namun, sebagian kecil dari molekul ini terdiri dari karbon 13, dan bagian yang lebih kecil lagi terdiri dari atom karbon 14. Isotop terakhir itu radioaktif dan tidak stabil, dan sifat-sifatnya telah diterapkan dalam menentukan usia beberapa fosil.
Karbon 14, karena sangat tidak stabil, secara spontan berubah menjadi nitrogen 14, memperoleh proton, menurut reaksi:
C = N + + neutrino
Tetapi hilangnya karbon 14 ini dikompensasi oleh pembentukan atom baru dari isotop ini, yang terbentuk berkat tumbukan neutron dari luar angkasa dengan atom nitrogen:
neutron + N = C + H
Sebagai akibat dari tumbukan, atom nitrogen kehilangan satu proton, menghasilkan atom karbon-14 dan atom hidrogen. Atom karbon-14 yang terbentuk segera teroksidasi menjadi karbon dioksida, dan dengan demikian tetap berada di atmosfer.
Kedua proses ini, penghilangan dan pembentukan atom C14, terjadi pada kecepatan yang kira-kira sama, dan akibatnya, konsentrasi atom C14 di atmosfer cukup konstan.
Penanggalan karbon 14 dari fosil
Tumbuhan hidup secara permanen bertukar karbon dioksida dengan atmosfer, dalam proses fotosintesis dan respirasi. Saat hewan menelan tumbuhan ini, mereka juga menukar karbon-14 dengan atmosfer. Oleh karena itu, rasio karbon 14 terhadap karbon 12 pada makhluk hidup serupa dengan rasio di atmosfer.
Segera setelah organisme hidup mati, pertukaran ini berhenti, dan tingkat karbon-14 mulai turun, karena diubah menjadi nitrogen. Kecepatan terjadinya transformasi ini diketahui, sehingga momen kematian makhluk hidup dapat diketahui dengan menentukan jumlah karbon 14 yang masih dimilikinya. Semakin rendah jumlah itu, semakin banyak waktu yang akan berlalu sejak saat kematian. Pengukuran dilakukan dengan mendeteksi radiasi yang dipancarkan oleh isotop.
Namun, sistem ini memiliki beberapa kelemahan: tidak berguna untuk menentukan usia fosil di atas 60 ribu tahun, karena emisi radioaktif akan sangat rendah dan sulit diukur. Selain itu, seseorang harus mengetahui konsentrasi karbon-14 atmosfer saat makhluk hidup mati, sebuah fakta yang diketahui dengan akurat hingga 11.800 tahun yang lalu, tetapi tidak diketahui untuk periode sebelumnya.