In natura sono presenti sia il 13C che il 14C. Il primo rappresenta circa l’1% di tutto il carbonio. L’abbondanza di 14C varia da 0,0000000001% (una parte per trilione, un livello piccolo, ma misurabile) fino a zero. Le più alte abbondanze di 14C si trovano nell’anidride carbonica atmosferica e nei prodotti fatti con l’anidride carbonica atmosferica (per esempio, le piante). A differenza del 12C e del 13C, il 14C non è stabile. Di conseguenza, subisce sempre un decadimento radioattivo naturale, mentre le abbondanze degli altri isotopi rimangono invariate. Il carbonio-14 è più abbondante nell’anidride carbonica atmosferica perché viene costantemente prodotto da collisioni tra atomi di azoto e raggi cosmici ai limiti superiori dell’atmosfera.
Il tasso di decadimento del 14C è assolutamente costante. Dato un qualsiasi insieme di atomi di 14C, la metà di essi decadrà in 5700 anni. Poiché questo tasso è lento rispetto al movimento del carbonio attraverso le catene alimentari (dalle piante agli animali ai batteri) tutto il carbonio nella biomassa sulla superficie terrestre contiene livelli atmosferici di 14C. Tuttavia, non appena il carbonio esce dal ciclo dei processi biologici – per esempio, attraverso la sepoltura nel fango o nel suolo – l’abbondanza di 14C comincia a diminuire. Dopo 5700 anni ne rimane solo la metà. Dopo altri 5700 anni ne rimane solo un quarto. Questo processo, che continua finché non rimane più alcun 14C, è alla base della datazione al carbonio.
Un campione in cui il 14C non è più rilevabile è detto “morto al radiocarbonio”. I combustibili fossili sono un esempio comune. Essi derivano dalla biomassa che inizialmente conteneva livelli atmosferici di 14C. Ma la trasformazione dei detriti organici sedimentari in petrolio o delle piante legnose in carbone è così lenta che anche i depositi più giovani sono radiocarbonicamente morti.
L’abbondanza di 14C in una molecola organica fornisce quindi informazioni sulla fonte del suo carbonio. Se il 14C è presente a livelli atmosferici, la molecola deve derivare da un prodotto vegetale recente. Il percorso dalla pianta alla molecola può essere stato indiretto o lungo, coinvolgendo molteplici processi fisici, chimici e biologici. I livelli di 14C sono influenzati significativamente solo dal passare del tempo. Se una molecola non contiene 14C rilevabile deve derivare da una materia prima petrolchimica o da qualche altra fonte antica. Livelli intermedi di 14C possono rappresentare o miscele di carbonio moderno e morto o carbonio che è stato fissato dall’atmosfera meno di 50.000 anni fa.
Segnali di questo tipo sono spesso utilizzati dai chimici che studiano gli ambienti naturali. Un idrocarburo trovato nei sedimenti della spiaggia, per esempio, potrebbe derivare da una fuoriuscita di petrolio o da cere prodotte dalle piante. Se le analisi isotopiche mostrano che l’idrocarburo contiene 14C a livelli atmosferici, proviene da una pianta. Se non contiene 14C, proviene da una fuoriuscita di petrolio. Se contiene un livello intermedio, proviene da una miscela di entrambe le fonti
.