Hier auf der Erde kommt Kohlenstoff in der Atmosphäre, im Boden, in den Ozeanen und in jedem Lebewesen vor. Kohlenstoff 12 – aka. C-12, so genannt, weil es ein Atomgewicht von 12 hat, ist das häufigste Isotop, aber keineswegs das einzige. Kohlenstoff 14 ist ein weiteres Kohlenstoffisotop, das entsteht, wenn Stickstoff (N-14) mit kosmischer Strahlung beschossen wird.
Dieser Prozess bewirkt, dass ein Proton durch ein Neutron verdrängt wird, wodurch Stickstoffatome effektiv in ein Kohlenstoffisotop – bekannt als „Radiokohlenstoff“ – umgewandelt werden. Es ist von Natur aus radioaktiv und instabil und zerfällt daher im Laufe der Zeit spontan wieder in N-14. Diese Eigenschaft macht es besonders nützlich in einem Verfahren, das als „Radiocarbon-Datierung“ oder kurz Carbon-Datierung bekannt ist.
Herkunft von Radiokarbon:
Radiokarbon gelangt durch natürliche Prozesse wie Essen und Atmen in die Biosphäre. Pflanzen und Tiere nehmen im Laufe ihres natürlichen Lebens sowohl C-12 als auch C-14 einfach durch die Ausübung dieser Grundfunktionen auf. Wenn sie sterben, hören sie auf, sie zu verbrauchen, und das Isotop von C-14 beginnt aufgrund seines radioaktiven Zerfalls mit einer exponentiellen Rate in seinen Stickstoffzustand zurückzukehren.
Ein Vergleich des verbleibenden C-14 einer Probe mit dem, das von atmosphärischem C-14 erwartet wird, ermöglicht eine Schätzung des Alters der Probe. Darüber hinaus wissen Wissenschaftler, dass die Halbwertszeit von Radiokarbon 5.730 Jahre beträgt. Das bedeutet, dass eine Probe von Radiokohlenstoff 5.730 Jahre braucht, bis die Hälfte davon wieder in Stickstoff zerfällt.
Nach etwa 10 Halbwertszeiten wird die verbleibende Menge an Radiokohlenstoff zu winzig, um sie zu messen, und daher ist diese Technik nicht besonders zuverlässig für die Datierung von Exemplaren, die vor mehr als 60.000 Jahren gestorben sind – dh während des späten Mittelpaläolithikums (auch bekannt als Altsteinzeit). Zeitraum.
Entwicklungsgeschichte:
Experimente, die schließlich zu einer Kohlenstoffdatierung führten, begannen in den 1939er Jahren dank der Bemühungen der Strahlenlabor an der University of California, Berkeley. Zu dieser Zeit versuchten die Forscher zu bestimmen, ob eines der Elemente, die in organischem Material vorkommen, Isotope mit Halbwertszeiten hatte, die lang genug waren, um in der biomedizinischen Forschung von Wert zu sein.
Bis 1940 wurde die Halbwertszeit von Kohlenstoff 14 bestimmt, ebenso wie der Mechanismus, durch den es erzeugt wurde (langsame Neutronen, die mit Stickstoff in der Atmosphäre wechselwirken). Dies widersprach früheren Arbeiten, die behaupteten, es sei das Produkt von Deuterium (H² oder schwerer Wasserstoff) und Kohlenstoff 13.
Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Proton und einem Elektron, aber seine schwere Form, Deuterium genannt, enthält auch ein Neutron. Bildnachweis: NASA/GFSC
Während des Zweiten Weltkriegs las Willard Libby – ein Chemiker und Absolvent von Berkeley – einen Aufsatz von W. E. Danforth und S. A. Korff (veröffentlicht 1939), der voraussagte, dass C 14 in der Atmosphäre aufgrund von Wechselwirkungen zwischen entstehen würde Stickstoff und kosmische Strahlung. Daraus entwickelte Libby die Idee, den Zerfall von C 14 als Methode zur Datierung von organischem Material zu messen.
1945 wechselte Libby an die University of Chicago, wo er die Arbeit begann, die zur Entwicklung der Radiokarbon-Datierung führen sollte. 1946 veröffentlichte er eine Veröffentlichung, in der er spekulierte, dass C 14 neben anderen Kohlenstoffisotopen in organischem Material vorkommen könnte.
Nach Experimenten, bei denen C-14 in Methan aus Abwasserproben gemessen wurde, konnten Libby und seine Kollegen zeigen, dass organisches Material radioaktives C-14 enthielt. Es folgten Versuche mit Holzproben für die Gräber zweier ägyptischer Könige, für die das Alter bekannt war.
Ihre Ergebnisse erwiesen sich mit Berücksichtigung einer kleinen Fehlerquote als genau und waren veröffentlicht im Jahr 1949 im TagebuchWissenschaft. 1960 erhielt Libby für diese Arbeit den Nobelpreis für Chemie. Seitdem wurde die Kohlenstoffdatierung in mehreren Wissenschaftsgebieten verwendet und ermöglichte die Datierung wichtiger Übergänge in der Vorgeschichte.
Diagramm, das zeigt, wie die Radiokohlenstoffdatierung funktioniert. Bildnachweis: howstuffworks.com
Grenzen des Carbon-Datings:
Die Kohlenstoffdatierung bleibt aus einer Reihe von Gründen begrenzt. Erstens wird angenommen, dass das Verhältnis von C-12 zu C-14 in der Atmosphäre konstant geblieben ist, obwohl das Verhältnis tatsächlich durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst werden kann. Zum Beispiel die C-14-Produktionsraten in der Atmosphäre, die wiederum von der Menge an kosmischer Strahlung beeinflusst werden, die die Erdatmosphäre durchdringt.
Dies wird selbst durch Dinge wie das Erdmagnetfeld beeinflusst, das die kosmische Strahlung ablenkt. Darüber hinaus haben genaue Messungen der letzten 140 Jahre gezeigt, dass die Stärke des Erdmagnetfelds stetig abnimmt. Dies bedeutet, dass die Radiokohlenstoffproduktion stetig gestiegen ist (was das Verhältnis erhöhen würde).
Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass diese Technik nur auf organisches Material wie Knochen, Fleisch oder Holz angewendet werden kann und nicht zur direkten Datierung von Gesteinen verwendet werden kann. Darüber hinaus wird durch die Zugabe von Carbon 12 die Ration verworfen, was zu ungenauen Einschätzungen des Alters einer Probe führt.
Hier kommen anthropogene Faktoren ins Spiel. Da fossile Brennstoffe keinen Kohlenstoff-14-Gehalt haben, hat die Verbrennung von Benzin, Öl und anderen Kohlenwasserstoffen – und zwar in immer größeren Mengen im Laufe der letzten eineinhalb Jahrhunderte – den C-14-Gehalt der Atmosphäre verdünnt.
Andererseits dürften atmosphärische Tests von Atomwaffen in den 1950er und 1960er Jahren den Kohlenstoff-14-Gehalt der Atmosphäre erhöht haben. Tatsächlich wurden Untersuchungen durchgeführt, die darauf hindeuten, dass Atomtests die Konzentration von C-14 in dieser Zeit im Vergleich zur natürlichen Produktion durch kosmische Strahlung verdoppelt haben könnten.
Dennoch bleibt es die genaueste Methode zur Datierung, die die wissenschaftliche Gemeinschaft bisher entdeckt hat. Bis zu dem Zeitpunkt, an dem eine andere Methode zur Verfügung steht – und eine mit geringeren Fehlermargen – wird sie die Methode der Wahl für die Archäologie, Paläontologie und andere wissenschaftliche Forschungszweige bleiben.
Wir haben viele Artikel über Carbon Dating für Universe Today geschrieben. Hier ist Woher wissen wir, wie alt alles ist? , Wie alt ist das Universum? , Wie alt ist das Sonnensystem? , Wie lange ist der Mensch auf der Erde?
Wenn Sie mehr über Carbon Dating erfahren möchten, schauen Sie sich an Virtuelles Dating der NASA: Isochron und Radiokarbon – Geology Labs Online , und hier ist ein Link zu Radiometrische Dating-Seite der USGS .
Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast aufgenommen, in der es darum geht, wie Carbon Dating funktioniert. Hier ist Folge 122: Wie alt ist das Universum? und Folge 164: Im Inneren des Atoms .
Quellen:
