Radiokarbonmethode
Die Radiokarbonmethode oder C-14-Methode ist eine insbesondere in der Archäologie und Archäobotanik angewendete Methode zur Bestimmung des Alters von organischem Material, das von unserer Erde stammt. Sie basiert auf dem Zerfall des radioaktiven Kohlenstoff-Isotops 14C. Mit dieser Methode können Alter bis etwa 50.000 Jahre bestimmt werden. 1946 wurde diese Methode von Willard Frank Libby entwickelt.
Ablauf der Untersuchung
Die Durchführung erfordert neben der Anwendung der Physik auch zahlreiche Schritte mit Hilfe der angewandten Chemie, um die Probe mit einem Massenspektrometer untersuchen zu können. Die folgende Darstellung des Untersuchungsvorgangs ist sehr stark vereinfacht.
Chemische Vorbereitungen der Probe
Das zu untersuchende organische Material muss zu reinem Kohlenstoff reduziert werden, um eine Bestimmung durchführen zu können. Viele andere Verbindungen müssen also aus der Probe entfernt werden.
Dazu ist vor der eigentlichen Untersuchung eine Vielzahl von chemischen Schritten notwendig. Im folgenden wird dies am Beispiel von Holz dargestellt.
Zu erst wird die Probe mit 1%iger Salzsäure (chem. Symbol: HCl), anschließend mit Natronlauge (NaOH), dann wieder mit Salzsäure gereinigt. Dies geschieht jeweils vier Stunden lang bei 60°C.
Das übriggebliebene reine Zellulosematerial wird mit Kupferoxid und Silber (Ag) in einer evakuierten Quartzampulle eingeschlossen und in einem Ofen erhitzt. Dabei verbrennen die organischen Bestandteile, so dass nur CO2, Stickstoffoxid, Schwefeloxid und Halogenverbindungen verbleiben. Das hinzugegebene Silber bindet das Schwefeloxid und die Halogenverbindungen.
Das verbleibende CO2 wird mit Eisen (Fe) und Wasserstoff (H2) zu reinem Graphit, der nur aus Kohlenstoff besteht, reduziert.
Massenspektrografie
Der gewonnene Graphit wird in einen kleinen Tragbehälter gepresst und im Massenspektrometer mit Cäsiumatomen beschossen. Dadurch wird ein Strahl negativ geladener Kohlenstoffionen gebildet, die durch ein Magnetfeld abgelenkt werden. Die leichten C12-Ionen werden stärker abgelenkt als die C14-Ionen.
Durch den Detektor des Massenspektrometers wird die Anzahl der schweren und leichten Ionen gemessen.
Der gesamte Vorgang dauert etwa 5 Wochen.
Probleme bei der Altersbestimmung
Um die Radiokarbonmethode zu eichen, wurde in der Anfangszeit die Dendrochronologie herangezogen, die zu diesem Zeitpunkt selbst noch in einem relativ frühen Entwicklungszustand steckte und selbst nicht geeicht war. Moderne Wissenschaftler, die sich auf die Chronologie (Lehre der Zeitrechnung) konzentrieren, überlegen deshalb, ob es sowohl bei der einen als auch bei der anderen Methode zu Unstimmigkeiten gekommen sein kann, die sich addiert haben und so in beiden Bestimmungsmethoden für nicht unerhebliche Fehler sorgten. So ist beispielsweise bekannt, dass es in einigen Regionen, die zur Aufstellung der Dendrochronologie-Theorien benutzt wurden, Perioden gab, aus denen nur Hölzer von weniger als einer Hand voll Bäumen zu analysieren waren, in anderen Zeiträumen hingegen mehrere hundert Baumfragmente. Da aber immer das Mittel der Wachstumsschichten möglichst vieler Bäume eines bestimmten Jahres zur Bestimmung herangezogen werden muss, kann der so errechnete Mittelwert deutlich von dem tatsächlichen abweichen. Weithin anerkannt ist hingegen, dass Radiocarbon-Jahre nicht unbedingt tropischen Jahren entsprechen. Denn zu unterschiedlichen erdgeschichtlichen Zeiten war die Produktion von 14C-Isotopen unterschiedlich hoch. Beispielsweise entsprechen 11000 Radiocarbon-Jahren 13000 tropischen Jahren.
In der Radiokarbonmethode spricht man von "Wiggles", wenn man Effekte meint, die das 14C-Alter stören. Unter diesen findet man den DeVries-Effekt, den Süss-Effekt, den Kernwaffen-Effekt, den Fraktionierungseffekt und den Reservoir-Effekt.
Die eigentümliche Beziehung zwischen 14C-Alter und Dendrochronologie wird allgemein mit Schwankungen des 14C/12C-Verhältnisses erklärt.
Libby- und Cambridge-Halbwertszeit
Libbys Team hatte bei der Entwicklung der Radiokarbonmethode für 14C eine Halbwertszeit von 5568±30 Jahren verwendet, die inzwischen als Libby-Halbwertszeit bekannt ist. Später wurde eine genauere Zahl von 5730±40 Jahren gemessen, die Cambridge-Halbwertszeit. Um Verwirrung zu vermeiden, wird im Labor allerdings weiterhin die Libby-Zahl benutzt. Eine unkalibrierte Datierung mit der Libby-Zahl könnte durch Multiplikation mit dem Verhältnis der beiden Zahlen (etwa 1,03) verbessert werden, dies ist aber meist unnötig, da die notwendige Korrektur in modernen Kalibrierkurven bereits enthalten ist.
Siehe auch: