碳的同素异形体与同位素

碳是一种化学元素，化学符号为C，原子序数为6，原子量为12.011 u，位于元素周期表中的IV A族，属于非金属。每个碳原子有四颗能够进行键合的电子，因此其化合价通常为4。自然产生的碳由三种同位素组成：12C和13C为稳定同位素，而14C则具放射性，其半衰期约为5730年。

碳的同素异形体

碳的同素异形体有数种，最常见的包括：石墨、钻石及无定形碳。这些同素异形体之间的物理性质，包括外表、硬度、电导率等等，都具有极大的差异。在正常条件下，钻石、碳纳米管和石墨烯的热导率是已知材质中最高的。

碳的各种同素异形体的物理特性差异极大，例如钻石是最坚硬的天然物质，而石墨则是最柔软的物质之一。碳可以和众多较小原子（包括碳原子）产生多个共价键，因此碳化合物的总数是各个元素中最高的，已发现的有近一千万种，占所有已知化合物的绝大多数。碳的升华点是所有元素中最高的。在标准大气压下，碳没有熔点，因为它的三相点位于10.8±0.2MPa、4600±300K（约4,330°C），而是会在3,900K左右升华。因此所有碳同素异形体的固体温度上限比熔点最高的金属还要高，如钨和钌。虽然碳能够进行氧化反应，但它的耐氧化性比铁和铜等元素都强。

碳的同位素

所有碳同位素的原子都有6颗质子，但中子数各异（从2到16颗不等）。碳有两个自然存在的稳定同位素：碳-12（C12）占地球上碳的98.93%，而碳-13（C13）则占剩余的1.07%。生物体中C12同位素的比率更高，因为生物化学反应会选择性地消除C13。1961年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）决定以碳-12同位素作为原子量单位的定义标准。核磁共振所探测的就是C13。

碳-14（C14）是自然产生的放射性同位素，在地球上的丰度为一万亿分之一（0.0000000001%），主要存在于大气层和地表矿藏中，如泥炭及其他有机物质等。碳-14以0.158 MeV能量进行β−衰变。由于半衰期只有5730年，所以该同位素在古老岩石中几乎绝迹，但会在大气高层（低平流层及高对流层）中经宇宙射线和氮间的反应而不断产生。14C在大气层及生物体中的丰度几乎守恒，但在生物体死亡后有规律地衰减，这就是放射性碳定年法的原理。该定年法可测量年龄在4万年以下的含碳物质。

碳有15种已知同位素，其中存活时间最短的是C8，它会进行质子发射和α衰变，半衰期为1.98739x10⁻²¹秒。同位素C19有核晕效应，即其半径比密度均匀的正常球体原子核高得多。