Radiokarbonmethode

Kohlenstoff kommt in der Natur in Form von drei Isotopen vor, d.h. Kohlenstoffatome mit gleicher Anzahl an Protonen aber unterschiedlicher Neutronenzahl und damit unterschiedlicher Masse. Das häufigste Kohlenstoffisotop ist 12C, das etwa 98,89 % des in der Natur vorkommenden Kohlenstoffs ausmacht. Die natürliche Häufigkeit des zweiten stabilen Isotops 13C beträgt etwa 1,11 %, die Konzentration des radioaktiven 14C liegt hingegen nur bei ca. 1,176 x 10-12 Atomen je 12C Atom.

Die Existenz von 14C in der Natur und dessen Nutzen zur Datierung wurde zuerst durch Willard Libby (1946) bewiesen, der für die Entwicklung der Radiokarbonmethode den Nobelpreis in Chemie erhielt. Mit Hilfe dieser Methode können Alter bis zu 50.000 Jahren bestimmt werden.

14C entsteht hauptsächlich in der oberen Atmosphäre, der Stratosphäre, durch Zusammenstoss von Neutronen der kosmischen Strahlung mit Stickstoffatomen (14N) der Luft. Das produzierte 14C wird zu 14CO2 oxidiert, gelangt durch Photosynthese in Pflanzen und wird über die Nahrungskette von Tieren aufgenommen. Verschiedene Austauschprozesse zwischen Atmosphäre, Biosphäre und Hydrosphäre führen zu einem dynamischen Gleichgewicht zwischen 14C Produktion und dessen Zerfall zu 14N. Die Austauschraten zwischen unterschiedlichen Kohlenstoffreservoiren unterscheiden sich jedoch erheblich und müssen bei der 14C Dateninterpretation berücksichtigt werden.

Nach dem Tod eines Organismus hört der Austausch von 14C mit der Atmosphäre auf und die 14C Konzentration sinkt durch radioaktiven Zerfall mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Die in einer Probe zu einem bestimmten Zeitpunkt verbleibende 14C Konzentration kann mittels Zerfallszählung (Proportionalzählrohr, Flüssigkeitszintillationszähler) oder beschleuniger-massenspektrometrisch durch Ermittlung des 14C/12C Verhältnisses im Vergleich zu Standards ermittelt werden.

Bei der konventionelle Zerfallszählung werden 14C Atome gezählt, die innerhalb der Messperiode von mehreren Tagen zerfallen. Im Gegensatz dazu wird bei der 14C Messung mit Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) das in der Probe vorhandenen 14C/12C Verhältnis durch Detektion der Isotope selbst bestimmt. Hierduch konnte die für eine Datierung notwendige Probenmenge von einigen Gramm auf weniger als ein Milligramm Kohlenstoff reduziert werden. Die Messzeit beträgt ebenfalls nur wenige Stunden gegenüber mehrerer Tage.