Le 13C et le 14C sont tous deux présents dans la nature. Le premier représente environ 1% de tout le carbone. L’abondance du 14C varie de 0,0000000001% (une partie par trillion, un niveau faible mais mesurable) à zéro. Les plus fortes abondances de 14C se trouvent dans le dioxyde de carbone atmosphérique et dans les produits fabriqués à partir du dioxyde de carbone atmosphérique (par exemple, les plantes). Contrairement au 12C et au 13C, le 14C n’est pas stable. Par conséquent, il subit toujours une désintégration radioactive naturelle, tandis que l’abondance des autres isotopes reste inchangée. Le carbone 14 est le plus abondant dans le dioxyde de carbone atmosphérique car il est constamment produit par les collisions entre les atomes d’azote et les rayons cosmiques aux limites supérieures de l’atmosphère.
Le taux de désintégration du 14C est absolument constant. Étant donné n’importe quel ensemble d’atomes de 14C, la moitié d’entre eux se désintègre en 5700 ans. Comme ce taux est lent par rapport au mouvement du carbone dans les chaînes alimentaires (des plantes aux animaux et aux bactéries), tout le carbone de la biomasse à la surface de la terre contient des niveaux atmosphériques de 14C. Cependant, dès que du carbone sort du cycle des processus biologiques – par exemple, par enfouissement dans la boue ou le sol – l’abondance du 14C commence à diminuer. Après 5 700 ans, il n’en reste que la moitié. Après 5 700 autres années, il n’en reste plus qu’un quart. Ce processus, qui se poursuit jusqu’à ce qu’il ne reste plus de 14C, est la base de la datation au carbone.
Un échantillon dans lequel le 14C n’est plus détectable est dit « mort au radiocarbone ». Les combustibles fossiles en sont un exemple courant. Ils sont dérivés de la biomasse qui contenait initialement des niveaux atmosphériques de 14C. Mais la transformation des débris organiques sédimentaires en pétrole ou des plantes ligneuses en charbon est si lente que même les gisements les plus jeunes sont morts au radiocarbone.
L’abondance du 14C dans une molécule organique fournit donc des informations sur la source de son carbone. Si le 14C est présent aux niveaux atmosphériques, la molécule doit provenir d’un produit végétal récent. Le chemin de la plante à la molécule peut avoir été indirect ou long, impliquant de multiples processus physiques, chimiques et biologiques. Les niveaux de 14C ne sont affectés de manière significative que par le passage du temps. Si une molécule ne contient pas de 14C détectable, elle doit provenir d’une matière première pétrochimique ou d’une autre source ancienne. Les niveaux intermédiaires de 14C peuvent représenter soit des mélanges de carbone moderne et de carbone mort, soit du carbone qui a été fixé de l’atmosphère il y a moins de 50 000 ans.
Les signaux de ce type sont souvent utilisés par les chimistes qui étudient les environnements naturels. Un hydrocarbure trouvé dans des sédiments de plage, par exemple, peut provenir d’une marée noire ou de cires produites par des plantes. Si les analyses isotopiques montrent que l’hydrocarbure contient du 14C aux niveaux atmosphériques, il provient d’une plante. S’il ne contient pas de 14C, il provient d’une marée noire. S’il contient un niveau intermédiaire, il provient d’un mélange des deux sources.