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碳原子的原子核由六個質子組成，通常還有六個中子，核外環繞著六個電子。若以本站中氫原子所採用的相同測量方式來看——也就是最外層電子最可能出現的位置到原子核距離的兩倍——碳原子的直徑大約是0.13奈米，也就是130皮米。一奈米是一公尺的十億分之一，一皮米則是一奈米的千分之一。

大小

原子沒有固定的形狀或大小，因此有好幾種定義方式，各自得出不同的數值。本站採用的數字，來自電子最可能出現位置的計算結果。碳原子的六個電子中，有兩個緊靠原子核，另外四個則分布較遠，如本站圖片所示。這四個外層電子最可能出現在距原子核約65皮米處，使得整個原子的直徑大約是130皮米。

對於分子中的原子，化學家通常採用另一種測量方式。共價半徑是兩個以化學鍵相連的原子，其中心距離的一半。以單鍵相連的兩個碳原子，中心平均相距154皮米，因此以這種方式測量，碳原子的直徑大約是150皮米。

凡得瓦半徑則是測量兩個未成鍵的原子，能夠靠近到多近才會開始互相排斥。以這種方式測量，碳原子的直徑大約是340皮米。

碳原子傾向形成四個鍵結，並能以各種不同長度的鏈狀構造彼此相連。正是這種能形成各種長度鏈狀構造的能力，讓碳成為生命不可或缺的元素。雙鍵會讓兩個碳原子的距離比單鍵更近，縮短到134皮米；三鍵則會縮短到120皮米。

純碳有好幾種形式，包括鑽石、石墨和石墨烯。鑽石堅硬到足以切割岩石，石墨則質地柔軟。石墨烯是只有一個原子厚的碳原子薄層，碳原子以六邊形排列相連，形狀就像雞籠網。

單個碳原子對光學顯微鏡來說太小，但可以用電子顯微鏡觀察到。2008年，勞倫斯柏克萊國家實驗室的研究人員利用TEAM 0.5顯微鏡，拍下了石墨烯薄層中每一個碳原子的影像。由於石墨烯十分脆弱，他們改用能量較低、較為溫和的電子束，這種電子束仍能分辨出相距1埃（100皮米）的細節。

碳同時也是原子質量的度量基準。自1960年起，含有六個中子的碳同位素「碳-12」，一直是原子質量的參考標準。所使用的單位「道爾頓」，定義為一個碳-12原子質量的十二分之一。地球上大約99%的碳都是碳-12。

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