Radiokohlenstoff Datierung: Eine Einführung

  • Willard Libby entwickelte die Radiokohlenstoff Datierung, um ein Verfahren zu entwickeln, mit dem man Radioaktivität messen kann.
  • C-14 ist ein schwach radioaktives Isotop des Kohlenstoffs. Es ist auch als Radiokohlenstoff oder Radiokarbon bekannt. Es ist ein isotopischer Zeitmesser.
  • Die C-14 Datierung kann man nur für organische und wenige anorganische Materialien (nicht für Metalle) verwenden.
  • Die Gasproportionalzählung, die flüssigen Szintillationszähler und die Beschleuniger-Massenspektrometrie sind die drei Hauptmethoden der C-14 Datierung.
  • C-14 Datierungslabore verwenden Oxalsäure I und Oxalsäure II als modernen Standard.
  • C-14 Messungen werden als konventionelles Radiokohlenstoffalter angegeben.

Der Einfluss der C-14 Datierungstechnik auf die modernen Wissenschaften hat sie zu einer der bedeutendsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts gemacht. Kein anderes wissenschaftliches Verfahren hat es geschafft, das Verständnis über den Menschen so zu revolutionieren. Sie hat nicht nur dabei geholfen die Gegenwart, sondern auch das Geschehen in der Vergangenheit zu verstehen, auch wenn diese tausende Jahre lang zurückliegt.

Die Archäologie und andere Wissenschaften, die sich mit dem Menschen befassen, verwenden die C-14 Datierung, um Theorien zu beweisen oder zu widerlegen. Im Laufe der Jahre hat die C-14 Datierung auch Einzug in Geologie, Hydrologie, Geophysik, Atmosphärenforschung, Ozeanographie, Paläoklimatologie und sogar der Biomedizin gehalten.

Der Pionier der C-14 Datierung

Der amerikanische physikalische Chemiker Willard Libby führte in der Zeit nach dem zweiten Weltkrieg ein Team aus Wissenschaftlern mit dem Ziel an, ein Verfahren zu entwickeln, das Radioaktivität messen kann. Er gilt als der erste Wissenschaftler, der annahm, dass das instabile Kohlenstoff-Isotop, auch Radiokarbon oder C-14 genannt, in lebender Materie vorhanden sein könnte.

Libby und sein Team aus Wissenschaftlern hatten es geschafft eine Abhandlung über die erste Entdeckung von C-14 in einer organischen Probe zu veröffentlichen. Außerdem war Libby der erste, der die C-14 Zerfallsrate gemessen hat und 5568 Jahre ± 30 Jahre als Halbwertszeit eingeführt hat.

1960 wurde Libby für seine Leistungen und die Entwicklung der C-14 Datierung mit dem Nobel Preis in Chemie ausgezeichnet.

Grundlagen der Karbon Datierung

Radiokarbon oder C 14 ist ein Isotop im Element Kohlenstoff, welches instabil und leicht radioaktiv ist. Die stabilen Isotope sind C 12 und C 13.

Durch den Effekt der kosmischen Neutronenstrahlung auf die Nitrogen 14 Atome wird kontinuierlich C-14 in der oberen Atmosphäre geformt. Es oxidiert schnell in der Luft und bildet Kohlenstoffdioxid. Danach tritt es in den globalen Kohlenstoffkreislauf ein.

Pflanzen und Tiere nehmen ihr ganzes Leben lang C-14 über das Kohlendioxid auf. Wenn sie sterben, stellen sie den Kohlenstoffaustausch mit der Biosphäre ein und ihr C-14 Anteil beginnt mit einer Geschwindigkeit zu zerfallen, die durch das Gesetz des radioaktiven Zerfalls bestimmt wird.

Die C-14 Datierung ist in erster Linie ein Verfahren, das entwickelt wurde, um verbliebene Radioaktivität zu messen. Wenn man weiß, wie viel C-14 noch in einer Probe enthalten ist, kann man das Alter des Organismus zum Zeitpunkt seines Absterbens bestimmen. Es muss jedoch angemerkt werden, dass die C-14 Datierungsbefunde zwar angeben, wann der Organismus gelebt hat, allerdings nicht wann das Material aus dem Organismus verwendet wurde.

Materialien, die C-14 datiert werden können

Nicht alle Materialien können C-14 datiert werden. Aber die meisten, wenn nicht sogar alle, organischen Komponenten können datiert werden. Manche anorganische Materie, wie der Aragonit Anteil einer Schale, können ebenfalls datiert werden, sofern bei der Bildung des Minerals eine Aufnahme von C-14 im Gleichgewicht mit der Atmosphäre stattfand.

Proben, die seit der Einführung der C-14 Datierung datiert wurden, sind unter anderem: Holzkohle, Holz, Zweige, Samen, Knochen, Muscheln, Leder, Torf, See Schlamm, Erde, Haare, Keramik, Pollen, Wandmalereien, Korallen, Blutreste, Textilien, Papier oder Pergament, Harze und Wasser.

An den Materialien werden vor der Analyse des Radiokarbonanteils physische und chemische Vorbehandlungen durchgeführt, um mögliche Verunreinigungen zu entfernen.

Die grundsätzlichen Verfahren zur C-14 Messung

Beta AMS Lab

Es gibt drei grundsätzliche Techniken um den C-14 Anteil einer Probe zu messen— die Gasproportionalzählung, die flüssige Szintillationszählung und die Beschleuniger-Massenspektrometrie.

Die Gasproportionalzählung ist eine konventionelle radiometrische Datierungstechnik, die abgestrahlte Beta Partikel einer Probe zählt. Beta Partikel entstehen als Produkt des radioaktiven Zerfalls. Bei dieser Methode wird die Kohlenstoffprobe zuerst in Kohlenstoffdioxid Gas konvertiert und dann erst wird die Messung mit Hilfe eines Gasproportionalzählers vorgenommen.

Die Flüssig-Szintillation-Zählung ist eine weitere C-14 Datierungstechnik, die in den 1960ern beliebt war. Bei dieser Methode ist die Probe flüssig und ihr wird ein Szintillator hinzugefügt. Dieser Szintillator produziert einen Lichtblitz, wenn er mit den Beta Partikeln interagiert. Die Probe wird in einer Phiole zwei Photomultiplier präsentiert und nur, wenn beide Geräte einen Lichtblitz registrieren, wird dieser auch gezählt.

Die Beschleuniger-Massenspektrometrie(AMS) ist die moderne C-14 Datierungsmethode. Sie gilt als effizienter, wenn man den C-14 Anteil einer Probe messen will. Bei dieser Methode wird der C-14 Anteil relativ zum C-12 und C-13 Vorkommen gemessen. Dieses Verfahren zählt zwar nicht die Beta Partikel, dafür aber die Anzahl der Kohlenstoffatome, die in der Probe enthalten sind und die Proportion der Isotope.

C-14 Datierungsstandards

Das C-14 Alter einer bestimmten Probe, deren Alter unbekannt ist, kann durch das Messen ihres C-14 Anteils und durch Vergleichen des Befunds mit der C-14 Aktivität von schon datierten Proben des gleichen Materials ermittelt werden.

C-14 Datierungslabore benutzen als modernen Standard Oxalsäure I, die sie vom National Institute of Standards and Technology in Maryland beziehen. Diese Oxalsäure wurde 1955 erstmals aus Zuckerrüben gewonnen. Rund 95% der C-14 Aktivität in Oxalsäure I ist gleich der gemessenen C-14 Aktivität des absoluten C-14 Standards — einem von fossilen Brennstoffeffekten unbeeinflusst gebliebenes Stück Holz aus dem Jahre 1890.

Als die Oxalsäure I Vorräte fast völlig aufgebraucht waren, wurde 1977 ein anderer Standard aus französischem Zuckerrübensirup festgelegt. Oxalsäure II war nun der neue Standard und sie wies nur einen kleinen Unterschied in ihrem C-14 Anteil gegenüber Oxalsäure I auf. Im Laufe der Jahre wurden weitere C-14 Standards entwickelt.

Die C-14 Aktivität von Hintergrundmaterialien wird auch bestimmt, um ihren Einfluss auf die Probenanalyse und den daraus resultierenden Befunden zu neutralisieren. Die Hintergrund C-14 Aktivität wird gemessen und die daraus gewonnenen Werte werden von den C-14 Datierungsbefunden abgezogen. Gewöhnlich werden Hintergrundproben analysiert, die geologischen Ursprungs und grenzenlos alt sind, wie Kohle, Braunkohle oder Kalkstein.

Die C-14 Datierungsmessungen

Eine C-14 Messung wird als konventionelles C-14 Alter bezeichnet(CRA). Die CRA Konventionen beinhalten

a). Die Verwendung der Libby Halbwertszeit,

b). Die Verwendung von Oxalsäure I oder II, oder eines anderen modernen Standards, der sich als C-14 Standard eignet,

c). Korrektur der Proben Isotopenfraktionierung auf einen Normal- oder Grundwert von -25.0 Promille, relativ gesehen zum C-12 und C-13 Karbonatstandard in VPDB – Cretaceous belemnite formation at Peedee in South Carolina,

d). Das Jahr Null BP (Before Present) ist als das Jahr 1950 definiert

und

(e) unter der Annahme, dass das globale C-14 Niveau konstant ist.

Standardfehler werden auch im C-14 Datierungsbefund angegeben, daraus resultieren die “±” Werte. Diese Werte wurden auf statistischem Wege abgeleitet.