Vergleiche zwischen der beobachteten Häufigkeit bestimmter natürlich vorkommender radioaktiver Isotope und ihrer Zerfallsprodukte unter Verwendung bekannter Zerfallsraten können dazu genutzt werden, Zeitskalen von vor der Entstehung der Erde bis zur Gegenwart zu messen. Zum Beispiel kann das Messen des Verhältnisses von stabilen und radioaktiven Isotopen in Meteoriten uns Informationen über ihre Geschichte und Herkunft geben.

Radiometrische Datierungstechniken wurden 1907 von Bertram Boltwood entwickelt, als er als Erster das Alter von Gesteinen durch Messung der Zerfallsprodukte des Urans zu Blei bestimmte.

Heute gilt die radiometrische Datierung als eine sehr zuverlässige Datierungsmethode und als wichtigste Informationsquelle über das absolute Alter von Gesteinen und anderen geologischen Merkmalen, einschließlich des Alters der Erde selbst. Die Techniken können auch auf die Datierung eines breiten Spektrums menschengemachter Materialien ausgedehnt werden. Da radioaktive Elemente unterschiedliche Halbwertszeiten haben, gibt es zahlreiche verschiedene Methoden, die auf unterschiedliche Zeitskalen anwendbar sind. Zu den bekanntesten Techniken gehören die Radiokohlenstoffdatierung, die Uran-Blei-Datierung und die Kalium-Argon-Datierung.

Kohlenstoff ist der grundlegende Baustein organischer Verbindungen und daher ein wesentlicher Bestandteil des Lebens auf der Erde. Natürlicher Kohlenstoff enthält zwei stabile Isotope ¹²C (98,9 %) und ¹³C (1,1 %), plus eine winzige Menge des Radioisotops ¹⁴C (1,2 x 10^-12 %) mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. ¹⁴C wird durch kosmische Strahlung in der Atmosphäre produziert und dann in der Natur verteilt (93 % im Ozean, 5 % in der Biosphäre und 2 % in der Atmosphäre).

Kohlenstoff (alle drei Isotope) wird von lebenden Organismen aufgenommen und während ihres Lebenszyklus kontinuierlich erneuert. Wenn ein Organismus jedoch stirbt, hört dieser Prozess auf. Das instabile ¹⁴C zerfällt durch Beta-Zerfall (Elektronenemission) zu ¹⁴N, und der ¹⁴C-Gehalt nimmt exponentiell mit der Zeit ab. Durch Messen, wie viel ¹⁴C zu einem gegebenen Zeitpunkt noch nicht zerfallen ist, kann man berechnen, wie lange der Organismus schon gestorben ist.

Die Radiokohlenstoffdatierung wurde in den 1950er Jahren entwickelt, wobei Willard Libby 1960 den Nobelpreis für Chemie für die Verwendung von ¹⁴C zur Altersbestimmung in der Archäologie, Geologie, Geophysik und vielen anderen Wissenschaftsbereichen erhielt.

Ein an einen Beschleuniger gekoppeltes Massenspektrometer wird verwendet, um Proben mit nur wenigen Milligramm Kohlenstoff durch Messung des Verhältnisses ¹⁴C/¹²C zu datieren (Bild mit freundlicher Genehmigung von J. Forest, CNRS Photothèque).

Die Radiokohlenstoffdatierung hat jedoch ihre Grenzen. Kohlenstoff wird nur von lebenden Organismen (oder vielmehr von Dingen, die irgendwann lebten) wie Holz oder Fossilien aufgenommen, daher kann er nicht zur Datierung von Stein oder Keramik verwendet werden, und die Methode ist nur für Objekte bis zu einem Alter von etwa 60.000 Jahren genau.

Viele Jahre lang wurde angenommen, dass der ¹⁴C-Gehalt in der Atmosphäre konstant war. Wir wissen jetzt, dass sich die Magnetfelder der Erde und der Sonne mit der Zeit ändern. Das bedeutet, dass der Fluss der kosmischen Strahlung, die auf die Atmosphäre trifft, variiert und daher auch die ¹⁴C-Produktionsrate. Deshalb ist es notwendig, die ¹⁴C-Daten gemäß anderen Techniken zu kalibrieren. Eine solche Technik ist die Dendrochronologie oder Jahrringdatierung.

Variationen der Jahrringe: 1 - erstes Wachstumsjahr, 2 - Regensaison (breiterer Ring), 3 - Trockenzeit (schmalerer Ring), und 4 - eine Narbe von einem Waldbrand.

Die Dendrochronologie beinhaltet die Entnahme eines horizontalen Querschnitts des Hauptstamms eines Baumes und die Analyse der sichtbaren Ringe, die durch das natürliche Pflanzenwachstum entstehen. Diese Ringe entstehen durch die Veränderung der Wachstumsgeschwindigkeit im Verlauf der Jahreszeiten, wobei jeder Ring normalerweise den Ablauf eines Jahres im Leben des Baumes markiert. Diese Technik funktioniert am besten in gemäßigten Klimazonen, wo sich die Jahreszeiten deutlicher unterscheiden, und offensichtlich kann man nur wenige hundert Jahre zurückdatieren, da sehr alte Bäume selten sind.

Viele prähistorische Höhlenmalereien mit einem Alter von bis zu 30.000 Jahren wurden mit der Radiokohlenstoffdatierung untersucht, da die verwendeten Materialien überwiegend organischen Ursprungs sind.

Mit ¹⁴C datierte Höhlenmalereien. Bild mit freundlicher Genehmigung von N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

Die Radiokohlenstoffdatierung kann sogar für die Datierung ungewöhnlicherer archäologischer Funde eingesetzt werden. Im September 1991 entdeckten zwei Bergwanderer den Körper eines Mannes, der halb aus dem Eis in einer Gebirgsregion der Alpen herausragte. Der Eismann, später Ötzi nach dem Gebirge genannt, in dem er gefunden wurde, könnte vor mehr als 4000 Jahren gestorben sein.

Detaillierte ¹⁴C-Messungen wurden unabhängig von vier verschiedenen Instituten an Knochen und Geweben von Ötzi (in Innsbruck, Bozen, Zürich und Oxford) durchgeführt, an Ausrüstung und Materialien, die offenbar dem Eismann gehörten (in Uppsala, Gif/Yvette und Wien), und an Sedimenten, die vom Fundort gesammelt wurden (in Wien). Das unkalibrierte Alter beträgt 4550 Jahre. Übersetzt in das kalibrierte Alter mithilfe der Jahrring-Kurven erscheint Ötzi etwa 650 Jahre älter. So starb Ötzi zwischen 3350 und 3100 v. Chr.

Die Analyse des Leichnams enthüllte erstaunliche Details über sein Leben. Die Analyse von Getreide, das im Darm gefunden wurde, sowie von Mineralien im Haar führte zu dem Schluss, dass Ötzi aus Südtirol stammte, als er von Schnee und Eis eingeschlossen wurde. Er hatte kurz vor seinem Tod Brei aus Einkorn (eine Weizenart), Gemüse und Fleisch gegessen. Darüber hinaus konnten die Forscher durch die Analyse der Isotope von Kohlenstoff und Sauerstoff in den Zähnen und Knochen des Eismanns das Land seiner frühen Kindheit von dem unterscheiden, wo er später lebte. Wir wissen auch, dass er ein 45-jähriger Mann mit schulterlangenm, dunklem, welligem Haar und blauen Augen war. Jüngere Genomanalysen deuten jedoch darauf hin, dass Ötzi ursprünglich aus Sardinien stammte!

Die Jahrring-Technik ist nützlich zur Kalibrierung der ¹⁴C-Methode bis zu etwa 11.000 Jahren. Für Alter zwischen 10.000 und 30.000 Jahren wird die Uran-Thorium-Datierung von Seesedimenten und Korallen als Kalibrierungstechnik verwendet.

Während ihrer Lebenszeit absorbieren Korallen das im Meerwasser vorhandene Uran (mit einer Halbwertszeit von 245,5 Jahren), aber sie absorbieren kein Thorium (²³⁰Th). Nach dem Absterben der Korallen zerfällt das Uran zu ²³⁰Th, das sich in ihrem Skelett ansammelt. Die Messung des Verhältnisses U/Th kann einen Hinweis auf das Alter der Koralle geben.

Thorium ist jedoch auch radioaktiv und zerfällt (Halbwertszeit 75.380 Jahre) über eine lange Zerfallskette in andere Elemente, die schließlich mit Blei endet, was den Datierungsprozess etwas komplizierter macht. Die U-Th-Methode kann zur Datierung von Objekten mit einem Alter zwischen 10.000 und 500.000 Jahren verwendet werden.

Die Methode hat jedoch einige Einschränkungen. Jüngere Studien haben gezeigt, dass Blei durch Neutroneneinfang erzeugt werden kann und möglicherweise nicht aus dem Uranzerfall stammt. Dies würde die Datierungsergebnisse verändern.

Als Referenz für die U-Th-Datierungsmethode verwendete Koralle. Bild mit freundlicher Genehmigung von J. Lecomte (CNRS Photothèque).

Die Thermolumineszenz wurde 1663 von Sir Boyle entdeckt. Viele kristalline Materialien wie bestimmte Mineralien haben die Eigenschaft, beim Erhitzen Licht auszusenden. Dreihundert Jahre nach dieser Entdeckung lernten Wissenschaftler, wie sie diesen Effekt erklären können. Wenn das Material hochenergetischer Strahlung ausgesetzt wird, bewegen sich die Elektronen im Material in einen angeregten Zustand. In einigen Mineralien wird diese Energie dann aufgrund von Defekten im Kristallgitter eingeschlossen. Wenn der Kristall jedoch erhitzt wird, können die Elektronen auf die niedrigeren Energiehüllen fallen und bei jedem solchen Übergang ein Photon emittieren.

Pierre und Marie Curie stellten fest, dass einige Glasbehälter in ihrem Labor eine intensive Farbe annahmen, wenn sie Strahlung ausgesetzt wurden, und dass diese Farben beim Erhitzen des Materials gleichzeitig mit der Lichtemission verschwinden.

Es wurde gezeigt, dass die Intensität des emittierten Lichts direkt proportional zur Strahlung ist, die das Mineral erhalten hat. Daher kann Thermolumineszenz zur Datierung von Objekten verwendet werden, die kosmischer Strahlung oder Strahlung aus dem Boden ausgesetzt waren, da die Dosen vom Alter des Objekts abhängen.

Diese Technik hat viele Anwendungen - wie die Datierung von erhitztem Feuerstein, Töpferwaren und Keramik aus prähistorischen Perioden. Die ältesten Artefakte, die durch Thermolumineszenz datiert werden können, sind etwa 250.000 Jahre alt.

Oben: Radiumstrahlung verleiht einem Glasbehälter aus dem Labor von Pierre und Marie Curie einen blauen Farbton. Bild mit freundlicher Genehmigung von C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Links: Töpferware, die durch Thermolumineszenz auf 7.000 bis 10.000 Jahre datiert wurde. Bild mit freundlicher Genehmigung von A. Chênè (CNRS Photothèque). Unten: Skelette einer Frau und eines Kindes, durch Thermolumineszenz auf 92.000 Jahre datiert. Bild mit freundlicher Genehmigung von CEA – CNRS – CFR.

Wenn ⁴⁰K im Gestein zu ⁴⁰Ar zerfällt, bleibt das gasförmige ⁴⁰Ar im Gestein und kann nicht entweichen, es sei denn, das Mineral wird erhitzt. Die Menge an Ar in einem Gesteinsstück gibt daher Aufschluss über die Zeit seit seiner letzten Abkühlung.

Die K-Ar-Methode eignet sich gut für die Untersuchung vulkanischer Aktivität, und da ⁴⁰K eine Halbwertszeit von 1,3 Milliarden Jahren hat, wird die Methode in der Geochronologie zur Datierung von Zeiträumen von 10⁶ bis 10⁹ Jahren zurück verwendet. Radioaktives ⁴⁰K ist häufig in Glimmer, Feldspat und Hornblende, die recht niedrige Schließungstemperaturen haben (von 125°C für Glimmer bis 450°C für Hornblende).

Die K-Ar-Methode wurde verwendet, um die Abfolge der geologischen Perioden auf der Erde zu bestimmen, das Alter der Erde auf etwa 4,5 Milliarden Jahre festzulegen und den Beginn der Menschheit (in Ostafrika) auf etwa 5 Millionen Jahre zurückzudatieren. Die Methode wird auch zur Messung der Umkehrrate der magnetischen Pole der Erde eingesetzt.

⁸⁷Rb zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa 48 Milliarden Jahren zu ⁸⁷Sr. Die anderen Sr-Isotope (A = 84, 86, 88) sind stabil, sodass Strontium ein nützlicher Tracer für das Alter und den Rubidiumgehalt in Gesteinen ist und auch zur Datierung von Mondproben verwendet wurde. Das Verhältnis ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr variiert von 0,703 in jungen Gesteinen bis 0,750 in den ältesten. Mit der ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr-Methode ist es möglich, Materialien mit einem Alter zwischen 10 Millionen und 10 Milliarden Jahren zu datieren.

Eine interessante Geschichte ist, wie die Rb-Sr-Datierung dazu beitrug, den Ursprung von König Yax K'uk Mo zu bestimmen, der die Dynastie gründete, die die Mayastadt Copán (heute in Honduras) 400 Jahre lang regierte.

Im 8. Jahrhundert wurde ein bescheidenes Dorf in Mesoamerika namens Copán (im heutigen Honduras) zu einer der bedeutendsten Mayastädte. Dieser Bedeutungsgewinn wird stark dem Yax K'uk Mo zugeschrieben, der im Jahr 427 in Copán ankam.

Zu dieser Zeit war Teotihuacan auf seinem Höhepunkt, die größte Stadt im vorkolumbianischen Mesoamerika im Tal von Mexiko. Städte hunderte von Meilen entfernt kopierten den Stil seiner Tempel und übernahmen dieselben Götter. Handwerker aus Copán stellten Yax K'uk Mo mit Teotihuacaner Attributen dar, was offenbar auf den Ursprung und die Verbindung des Königs mit Teotihuacan hindeutete. Der Ursprung von Yax K' uk Mo blieb unklar, bis Messungen der Isotopenverhältnisse ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr und ¹⁸O / ¹⁶O in den Zähnen und Knochen seiner Überreste in Copán durchgeführt wurden.

Die Halbinsel Yucatán, wo König Yax K'uk Mo lebte und starb, besteht hauptsächlich aus marinen Sedimenten. Sie zeigt eine gleichmäßige Variation des Verhältnisses ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (zwischen 0,7049 und 0,7089). Das Tal von Mexiko besteht aus vulkanischen Gesteinen, und dort ist die Variation größer, während in Teotihuacan der Wert niedriger ist (0,7046). Zahnschmelz bietet eine dauerhafte Beschichtung für das darunter liegende Dentin. Beide enthalten Kalzium, aber sie wurden auf sehr unterschiedliche Weise gebildet. Schmelz mineralisiert, wenn der Zahn in der Kindheit wächst, Dentin bildet sich wie Knochen kontinuierlich während des Lebens. Strontium ist chemisch dem Kalzium ähnlich und kann es im Schmelz und Dentin der Zähne sowie in den Knochen ersetzen. Strontium wird aus der Nahrung aufgenommen, und das Verhältnis ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr spiegelt die Beschaffenheit des lokalen Bodens wider. So trägt der Zahnschmelz einer Person die isotopische Signatur der Nahrung und des Wassers ihres frühen Kindheitslandes, während die Isotopenverhältnisse in Dentin und Knochen ihren späteren Aufenthaltsort widerspiegeln. Bei 0,7084 entsprach das Verhältnis ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr im Schmelz eines Zahnes von Yax K'uk Mo dem Wert in Tikal, nördlich von Copán.

Rechts: Keramikfigur von König Yax K'uk Mo, dargestellt mit Teotihuacaner Attributen (Copyright American Institute of Physics 2004).

Links: Messungen des Verhältnisses ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr für verschiedene vorkolumbianische Städte in Mexiko und auf der Halbinsel Yucatán (Copyright American Institute of Physics 2004).

Das Isotopenverhältnis ¹⁸O / ¹⁶O kann einen weiteren Ortsindikator liefern. Sauerstoff gelangt durch die Wasserversorgung in den Körper, und Regen aus Wolken in Meeresnähe ist reicher an ¹⁸O als Regen aus Wolken, die weit ins Landesinnere gezogen sind.

Die Isotopenanalyse der Strontium- und Sauerstoffverhältnisse im Zahnschmelz und in den Knochen von König Yax K'uk Mo unterstützte keinen Teotihuacaner Ursprung. Stattdessen wurde geschlossen, dass er seine frühen Jahre in der Nähe von Tikal verbrachte und später nach Copán zog.