Изото́пы углеро́да — разновидности атомов (и ядер) химического элемента углерода, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Углерод имеет два стабильных изотопа — 12C и 13C. Содержание этих изотопов в природном углероде равно соответственно 98,93 % и 1,07 %. Известны также 13 радиоактивных изотопов углерода (от 8C до 22C), из которых один — 14C — встречается в природе (его содержание в атмосферном углероде около 10−12). Изомерные состояния неизвестны. Углерод — лёгкий элемент, и его изотопы значительно различаются по массе, а значит и по физическим свойствам, поэтому во многих природных процессах происходит их разделение (фракционирование). Самым долгоживущим радиоизотопом является 14C с периодом полураспада 5700 лет.
Помимо стабильных изотопов углерода в природе встречается радиоактивный изотоп 14C (радиоуглерод). Он образуется при облучении 14N нейтронами по следующей реакции:
Кроме азотной реакции, 14C может образовываться при нейтронном облучении изотопа кислорода 17O по реакции 17
8O + n → 14
6C + α, однако в атмосфере содержание 17O крайне мало и этот путь образования 14C учитывается только в ядерных технологиях.
В природе 14C образуется в атмосфере из атмосферного азота-14 под действием космического излучения. С небольшой скоростью углерод-14 образуется и в земной коре.
Равновесное содержание 14C в земной атмосфере и биосфере по отношению к стабильному углероду составляет ~10−12. С начала активного использования ископаемого топлива (угля, нефти, газа) в атмосферу постоянно поступает углекислый газ, не содержащий радиоуглерода (распавшегося за миллионы лет), что приводит к постепенному уменьшению отношения 14C/12C в атмосфере; однако это разбавление атмосферного углерода нерадиоактивным ископаемым углеродом (так называемый эффект Зюсса) привело за всё время с начала индустриализации (XVIII век) к уменьшению удельной активности 14C в атмосфере лишь на 1,5…2,5 %[7], а в океанах удельная активность 14C уменьшилась лишь на 0,2 %. Значительно более существенное и резкое изменение, начавшееся в 1945 году, связано с ядерными и особенно термоядерными взрывами в атмосфере, создающими большой поток нейтронов и превращающими атмосферный азот-14 в углерод-14 по вышеприведённой реакции. Этот эффект достиг максимума в середине 1960-х; общее содержание 14C в тропосфере Северного полушария увеличилось почти вдвое. После запрета ядерных испытаний в атмосфере тропосферное содержание 14C стало быстро уменьшаться (двукратное снижение каждые 12—16 лет) вследствие прихода к равновесию тропосферного резервуара с океаном, который обладает значительно большей ёмкостью, чем атмосфера, и почти не был затронут «бомбовым» радиоуглеродом. К настоящему времени атмосферное содержание 14C практически вернулось к значениям доядерной эры[8], составлявшим (на 1950 год, в пересчёте на удельную активность 14C), 226 Бк на 1 кг атмосферного углерода[9].