¹⁴C-Datierung

Die Methode kann an einer Vielzahl organischer Materialien eingesetzt werden und erlaubt Altersbestimmungen bis zu 50.000 Jahren vor heute. Das und noch einiges mehr.

Anwendung

Da Kohlenstoff in sehr vielen Materialien enthalten ist, können all diese datiert werden – von Pflanzen, über Holz, Holzkohle, Knochen, Haut und Haaren bis hin zu Produkten wie Papier, Stoff, Leder und Leinwände.

Gleiches gilt aber auch für Karbonate wie z.B. Muscheln, Speläotheme oder Karbonate im Grundwasser, Ozeanen, Flüssen und Seen deren Alter ebenfalls ermittelt werden kann. Darüber hinaus findet die ¹⁴C-Datierung Anwendung in Bereichen, wie bei Echtheitsuntersuchungen, in der Forensik und bei der Elfenbein-Zertifizierung (CITES). Und mit der Möglichkeit der Bestimmung des Anteils von nachwachsenden Rohstoffen in Produkten der chemischen Industrie (z.B. Biotreibstoffe und -öle, Kosmetika, Plastik) oder dem Nachweis von künstlichen Zusatzstoffen (z.B. Aromen) in Bereichen der Lebensmittelindustrie, geht das Anwendungsspektrum der Methode weit über die Datierung hinaus.

Die Analyse von Radiokohlenstoff der heutigen Atmosphäre erlaubt Rückschlüsse auf die Verwendung fossiler Energieträger (Treibstoffe, Öl) und wie diese mit Klimaänderungen verknüpft sind.

Grundlagen

Mit ¹²C, ¹³C und ¹⁴C existieren drei Kohlenstoffisotope in der Natur, wobei letzteres radioaktiv ist und im Laufe der Zeit zerfällt. Die Zerfallsrate des ¹⁴C ist bekannt und sobald ein organisches Material (etwa durch Ernte einer Pflanze oder durch das Erlegen eines Tieres) vom Kohlenstoffaustausch mit der Umwelt abgeschnitten wird, nimmt die Menge dieses Kohlenstoffisotops kontinuierlich ab. Nach 5730 Jahren liegt genau die Hälfte an ¹⁴C im Probenmaterial vor, nach weiteren 5730 Jahren nur ein Viertel usw.

Die ¹⁴C-Analyse ist technisch hoch aufwendig, bedenkt man, dass der Anteil von ¹⁴C im Vergleich zu ¹²C extrem gering ist: In der Atmosphäre ist das Verhältnis von ¹⁴C zu ¹²C etwa 10^-12 und in einer alten archäologischen Probe ist ¹⁴C entsprechend dessen Zerfalls zu einem noch viel geringeren Anteil vorhanden. Um sich dieses Verhältnis bildlich vorzustellen, könnte man alle Haare aller Menschen auf der ganzen Welt heranziehen. Die Menge an ¹⁴C wäre im Verhältnis dazu nur ein einziges Haar. So selten und entsprechend schwer zu erfassen ist dieses Isotop.

Radiokohlenstoff wird in der Erdatmosphäre durch Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit den Stickstoffatomen in der Luft gebildet. An das entstehende ¹⁴C bindet sich umgehend Sauerstoff und es entsteht CO₂, welches in der Folge über den Prozess der Photosynthese in Pflanzen übergeht. Über die Nahrungskette gelangt ¹⁴C anschließend auch in Mensch und Tier. Es findet sich aber auch in Flüssen, Ozeanen, Böden und Sedimenten wieder. Es kommt zu einem kontinuierlichen Austausch – dem Kohlenstoffkreislauf.

Grenzen

Nach ca. zehn Halbwertszeiten ist ¹⁴C einer Probe so weit zerfallen, dass es apparativ nicht mehr gemessen werden kann. Praktisch ist dadurch eine Altersbestimmung zu etwa 50.000 Jahren möglich. Eine Altersbestimmung darüber hinaus ist auf der Basis von Radiokohlenstoff allerdings nicht möglich. Aber auch weitaus jüngere Objekte können die Methode an ihre Grenzen führen: Wegen der starken Änderungen des ¹⁴C-Gehaltes in der Atmosphäre, bedingt durch wechselnde Sonnenaktivität und die beginnende Verbrennung fossiler Brennstoffe ist eine Datierung mit Hilfe von ¹⁴C zwischen 1680 und 1950 nicht eindeutig möglich. Denn ein ¹⁴C-Alter liefert nach der Kalibrierung mehrere mögliche Kalenderalter, die in diesem Zeitabschnitt verteilt sind.

Mit Hilfe von Radiokohlenstoff allein ist es nicht möglich, das richtige zu identifizieren. Und auch Material, das nach 1950 entstanden ist, ist durch menschengemachtes ¹⁴C beeinflusst, welches während der Atombombentests in den 1960er Jahren in der Atmosphäre produziert wurde. In speziellen Fällen kann hier dann allerdings hochpräzise auf einige Jahre genau datiert werden, da diese menschengemachten Änderungen sehr gut gemessen und bekannt sind. Und auch sonst besticht die Methode durch eine hohe Präzision: Bei holozänen Proben (jünger als 10.000 Jahre) liegt diese regelmäßig im Bereich von 0,2 % bis 0,3 % und somit bei ± 25 bis 30 ¹⁴C-Jahren.

Probenbeschaffenheit

Typische Probenmengen sind:

• 0,5 – 1 g: Knochen, Zähne, Sediment
• 50 mg: Muscheln, Textil, Torf
• 20 mg: Holz, Holzkohle, Textil, Papier, Kunststoffe, Speisereste, Zellulose, Samen, Haare, Leder, Haut, Pflanzenreste
• 3 mg: Kollagen
• 1 mg: Graphit
• 250 ml: (Grund-)Wasser
• 1 ml: Treibstoffe, Öle

Die hier angegebenen Probenmengen sind typische Größen. Sind Proben stark verunreinigt oder in schlechtem Erhaltungszustand, wird die doppelte Menge benötigt. Deutlich geringere Probenmengen können nach Absprache möglicherweise ebenfalls analysiert werden. Dazu ist aber eine eingehende Beratung notwendig.