Vergelijkingen tussen de waargenomen overvloed van bepaalde van nature voorkomende radioactieve isotopen en hun vervalsproducten, met behulp van bekende vervalssnelheden, kunnen worden gebruikt om tijdschalen te meten variërend van voor de geboorte van de Aarde tot het heden. Het meten van de verhouding van stabiele en radioactieve isotopen in meteorieten kan ons bijvoorbeeld informatie geven over hun geschiedenis en herkomst.

Radiometrische dateringstechnieken werden ontwikkeld door Bertram Boltwood in 1907, toen hij als eerste de ouderdom van gesteenten bepaalde door de vervalsproducten van uranium naar lood te meten.

Tegenwoordig wordt radiometrische datering beschouwd als een zeer betrouwbare dateringmethode en de belangrijkste informatiebron over de absolute ouderdom van gesteenten en andere geologische kenmerken, inclusief de ouderdom van de Aarde zelf. De technieken kunnen worden uitgebreid om een breed scala aan door mensen gemaakte materialen te dateren. Omdat radioactieve elementen verschillende halveringstijden hebben, zijn er talrijke verschillende methoden die van toepassing zijn op verschillende tijdschalen. Tot de bekendste technieken behoren radiokoolstofdatering, uranium-lood-datering en kalium-argon-datering.

Koolstof is het basale bouwsteen van organische verbindingen en is daarmee een essentieel onderdeel van het leven op aarde. Natuurlijk koolstof bevat twee stabiele isotopen ¹²C (98,9%) en ¹³C (1,1%), plus een kleine hoeveelheid van het radio-isotoop ¹⁴C (1,2 x 10^-12%) met een halveringstijd van 5730 jaar. ¹⁴C wordt door kosmische straling in de atmosfeer geproduceerd en vervolgens in de natuur verspreid (93% in de oceaan, 5% in de biosfeer en 2% in de atmosfeer).

Koolstof (alle drie isotopen) wordt door levende organismen opgenomen en continu aangevuld tijdens hun levenscyclus. Wanneer een organisme echter sterft, stopt dit proces. Het instabiele ¹⁴C vervalt via bèta-verval (elektronenemissie) naar ¹⁴N, en het ¹⁴C-gehalte neemt exponentieel af met de tijd. Door te meten hoeveel ¹⁴C op een gegeven moment nog onvervallen aanwezig is, kan men berekenen hoe lang geleden het organisme is gestorven.

Radiokoolstofdatering werd ontwikkeld in de jaren 1950, waarbij Willard Libby de Nobelprijs voor Scheikunde 1960 ontving voor het gebruik van ¹⁴C om de leeftijd te bepalen in archeologie, geologie, geofysica en vele andere takken van wetenschap.

Een massaspectrometer gekoppeld aan een versneller wordt gebruikt om monsters te dateren die slechts een paar milligram koolstof bevatten door de verhouding ¹⁴C/¹²C te meten (Afbeelding met dank aan J. Forest, CNRS Photothèque).

Radiokoolstofdatering heeft echter zijn beperkingen. Koolstof wordt alleen opgenomen door levende organismen (of liever dingen die ooit leefden) zoals hout of fossielen, zodat het niet kan worden gebruikt om steen of aardewerk te dateren, en de methode is alleen nauwkeurig voor objecten van maximaal ongeveer 60.000 jaar oud.

Jarenlang werd aangenomen dat het ¹⁴C-gehalte in de atmosfeer constant was. We weten nu dat de magnetische velden van de Aarde en de Zon in de loop van de tijd veranderen. Dit betekent dat de flux van kosmische straling die op de atmosfeer valt varieert, en dus ook de productiesnelheid van ¹⁴C. Dat maakt het noodzakelijk de ¹⁴C-dateringen te kalibreren volgens andere technieken. Een dergelijke techniek is de dendrochronologie, of jaarringdatering.

Variaties in jaarringen: 1 - eerste groeijaar, 2 - regenseizoen (dikkere ring), 3 - droog seizoen (smallere ring), en 4 - een litteken van een bosbrand.

De dendrochronologie omvat het nemen van een horizontale doorsnede van de hoofdstam van een boom en het analyseren van de zichtbare ringen veroorzaakt door de natuurlijke plantengroei. Deze ringen zijn het gevolg van de verandering in groeisnelheid gedurende de seizoenen van het jaar, waarbij elke ring gewoonlijk het verstrijken van een jaar in het leven van de boom markeert. Deze techniek werkt het best in gematigde klimaten waar de seizoenen duidelijker van elkaar verschillen, en uiteraard kan men slechts een paar honderd jaar teruggaan omdat zeer oude bomen zeldzaam zijn.

Vele prehistorische grottekeningen van tot 30.000 jaar geleden zijn onderzocht met radiokoolstofdatering, omdat de gebruikte materialen meestal van organische oorsprong zijn.

Grotschilderingen gedateerd met ¹⁴C. Afbeelding met dank aan N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

Radiokoolstofdatering kan zelfs worden gebruikt om meer ongewone archeologische vondsten te dateren. In september 1991 ontdekten twee bergwandelaars het lichaam van een man dat halfweg uit het ijs stak in een bergachtige regio van de Alpen. De ijsman, later bijgenaamd Ötzi naar het berggebied waar hij werd gevonden, zou meer dan 4000 jaar geleden gestorven zijn.

Gedetailleerde ¹⁴C-metingen werden onafhankelijk uitgevoerd door vier verschillende instituten op botten en weefsels van Ötzi (in Innsbruck, Bolzano, Zürich en Oxford), op uitrusting en materialen die blijkbaar aan de ijsman toebehoorden (in Uppsala, Gif/Yvette en Wenen) en op sedimenten verzameld van de vindplaats (in Wenen). De ongekaliberde leeftijd is 4550 jaar. Vertaald naar gekalibreerde leeftijd met behulp van de jaarringkrommen, blijkt Ötzi ongeveer 650 jaar ouder te zijn. Dus Ötzi stierf tussen 3350 en 3100 v.Chr.

Analyse van het lijk onthulde verbazingwekkende details over zijn leven. De analyse van granen die in de ingewanden werden gevonden, evenals van mineralen in het haar, leidde tot de conclusie dat Ötzi uit Zuid-Tirol kwam toen hij werd ingesloten door sneeuw en ijs. Hij had kort voor zijn dood pap gegeten van eenkoren (een tarwesoort), groenten en vlees. Bovendien konden de onderzoekers door de isotopen van koolstof en zuurstof in de tanden en botten van de ijsman te analyseren het land van zijn vroege kindheid onderscheiden van het land waar hij later woonde. We weten ook dat hij een 45-jarige man was met donker, golvend haar tot op de schouders en blauwe ogen. Recentere genoomanalyses suggereren echter dat Ötzi oorspronkelijk van Sardinië was!

De jaarringtechniek is nuttig voor het kalibreren van de ¹⁴C-methode tot ongeveer 11.000 jaar. Voor leeftijden tussen 10.000 en 30.000 jaar is de gebruikte kalibratietechniek Uranium-Thorium van meerafzettingen en koraal.

Tijdens hun leven absorberen koralen het uranium (met een halveringstijd van 245,5 jaar) aanwezig in het zeewater maar absorberen zij geen thorium (²³⁰Th). Na het afsterven van de koralen vervalt het uranium in ²³⁰Th, dat zich ophoopt in hun skelet. Het meten van de verhouding U/Th kan een indicatie geven van de leeftijd van het koraal.

Thorium is echter ook radioactief en vervalt (halveringstijd 75.380 jaar) via een lange vervalsketen in andere elementen, uiteindelijk eindigend met lood, wat het dateringsproces wat ingewikkelder maakt. De U-Th-methode kan worden gebruikt om objecten te dateren met leeftijden variërend van 10.000 tot 500.000 jaar.

De methode heeft echter enkele beperkingen. Recente studies hebben aangetoond dat lood kan worden geproduceerd via neutronenvangst en mogelijk niet afkomstig is van het uraan-verval. Dit zou de dateringsresultaten veranderen.

Koraal als referentie gebruikt voor de U-Th-dateringsmethode. Afbeelding met dank aan J. Lecomte (CNRS Photothèque).

Thermoluminescentie werd ontdekt door Sir Boyle in 1663. Veel kristallijne materialen zoals sommige mineralen hebben de eigenschap licht uit te zenden wanneer ze worden verwarmd. Driehonderd jaar na deze ontdekking leerden wetenschappers hoe ze dit effect konden verklaren. Wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan hoog-energetische straling, bewegen de elektronen in het materiaal naar een aangeslagen toestand. In sommige mineralen wordt deze energie dan opgesloten vanwege defecten in het kristalrooster. Maar wanneer het kristal wordt verwarmd, kunnen de elektronen terugvallen naar de lagere energieschillen, waarbij bij elke overgang een foton wordt uitgezonden.

Pierre en Marie Curie merkten op dat sommige glazen containers in hun laboratorium een intense kleur kregen wanneer ze door straling werden geraakt, en dat deze kleuren verdwijnen met gelijktijdige lichtuitstraling wanneer het materiaal wordt verwarmd.

Het werd aangetoond dat de intensiteit van het uitgestraalde licht direct evenredig is met de straling die het mineraal heeft ontvangen. Zo kan thermoluminescentie worden gebruikt voor het dateren van objecten die zijn blootgesteld aan kosmische straling of aan straling uit de bodem, omdat de doses afhankelijk zijn van de leeftijd van het object.

Deze techniek heeft vele toepassingen - zoals het dateren van verhit vuursteen, aardewerk en keramiek uit prehistorische perioden. De oudste artefacten die door thermoluminescentie kunnen worden gedateerd zijn ongeveer 250.000 jaar oud.

Boven: radiumstraling geeft een blauwe tint aan een glazen recipiënt uit het laboratorium van Pierre en Marie Curie. Afbeelding met dank aan C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Links: aardewerk gedateerd door thermoluminescentie op 7.000 tot 10.000 jaar oud. Afbeelding met dank aan A. Chênè (CNRS Photothèque). Onder: Skeletten van een vrouw en een kind gedateerd door thermoluminescentie op 92.000 jaar oud. Afbeelding met dank aan CEA – CNRS – CFR.

Wanneer ⁴⁰K vervalt tot ⁴⁰Ar in gesteente, blijft het gasvormige ⁴⁰Ar in het gesteente en kan niet ontsnappen tenzij het mineraal wordt verwarmd. De hoeveelheid Ar in een stuk gesteente onthult zo de tijd sinds het voor het laatste afkoelde.

De K-Ar-methode is goed geschikt voor het bestuderen van vulkanische activiteit, en gegeven dat ⁴⁰K een halveringstijd heeft van 1,3 miljard jaar, wordt de methode in de geochronologie gebruikt om periodes te dateren variërend van 10⁶ tot 10⁹ jaar geleden. Radioactief ⁴⁰K is algemeen in glimmers, veldspaten en hoornblende, die vrij lage sluitingstemperaturen hebben (van 125°C voor glimmer tot 450°C voor hoornblende).

De K-Ar-methode werd gebruikt om de opeenvolging van geologische perioden op Aarde te bepalen, de ouderdom van de Aarde vast te stellen op ongeveer 4,5 miljard jaar en het begin van de mensheid (in Oost-Afrika) te situeren op ongeveer 5 miljoen jaar geleden. De methode wordt ook gebruikt om de omkeringssnelheid van de magnetische polen van de Aarde te meten.

⁸⁷Rb vervalt naar ⁸⁷Sr met een halveringstijd van ongeveer 48 miljard jaar. De andere Sr-isotopen (A = 84, 86, 88) zijn stabiel, zodat strontium een nuttige tracer is voor de leeftijd en het rubidiumgehalte in gesteenten, en ook is gebruikt om maanmonsters te dateren. De verhouding ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr varieert van 0,703 in jonge gesteenten tot 0,750 in de oudste. Met de ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr-methode is het mogelijk materialen te dateren met een leeftijd van 10 miljoen tot 10 miljard jaar.

Een interessant verhaal is hoe Rb-Sr-datering hielp om de oorsprong van koning Yax K'uk Mo te bepalen, die de dynastie stichtte die de Mayastad Copán (momenteel in Honduras) 400 jaar lang regeerde.

In de 8e eeuw werd een bescheiden dorp in Meso-Amerika met de naam Copán (gelegen in het huidige Honduras) een van de meest belangrijke Mayasteden. Deze opkomst in belang wordt sterk toegeschreven aan Yax K'uk Mo, die in het jaar 427 in Copán aankwam.

Destijds was Teotihuacan op zijn hoogtepunt, de grootste stad in pre-Colombiaans Meso-Amerika in de vallei van Mexico. Steden honderden mijlen ver kopieerden de stijl van zijn tempels en namen dezelfde goden over. Ambachtslieden uit Copán beeldden Yax K'uk Mo af met Teotihuacanese attributen, kennelijk de origins en de verbinding van de koning met Teotihuacan aangevend. De origins van Yax K' uk Mo bleven vaag totdat metingen van de isotoopratio's ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr en ¹⁸O / ¹⁶O in de tanden en botten van zijn resten in Copán werden uitgevoerd.

Het schiereiland Yucatan waar koning Yax K'uk Mo leefde en stierf bestaat voornamelijk uit mariene sedimenten. Het vertoont een vloeiende variatie van de verhouding ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (tussen 0,7049 en 0,7089). De vallei van Mexico bestaat uit vulkanische gesteenten, en daar is de variatie groter, terwijl bij Teotihuacan de waarde lager is (0,7046). Tandglazuur biedt een duurzame laag voor het dentine eronder. Beide bevatten calcium maar werden op heel verschillende manieren gevormd. Glazuur mineraliseert wanneer de tand groeit in de kindertijd, dentine vormt zich zoals botten voortdurend tijdens het leven. Strontium is chemisch verwant aan calcium en kan het vervangen in glazuur en dentine van tanden en in botten. Strontium wordt opgenomen uit voedsel, en de verhouding ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr zal de aard van de lokale bodem weerspiegelen. Zo draagt het tandglazuur van een persoon de isotoophandtekening van het voedsel en water van het land van zijn vroege kindheid, terwijl isotoopverhoudingen in dentine en botten zijn latere verblijfplaatsen weerspiegelen. Bij 0,7084 correspondeerde de verhouding ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr in glazuur genomen uit een tand van Yax K'uk Mo met de waarde bij Tikal, ten noorden van Copán.

Rechts: keramische figuur van koning Yax K'uk Mo afgebeeld met Teotihuacanese attributen (Copyright American Institute of Physics 2004).

Links: metingen van de verhouding ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr voor verschillende pre-Colombiaanse steden in Mexico en op het schiereiland Yucatan (Copyright American Institute of Physics 2004).

De isotoopverhouding ¹⁸O / ¹⁶O kan een andere locatie-indicator bieden. Zuurstof komt het lichaam binnen via de watertoevoer, en regen van wolken dicht bij de oceaan is rijker aan ¹⁸O dan regen van wolken die ver landinwaarts zijn getrokken.

De isotoopanalyse van de strontium- en zuurstofverhoudingen in het tandglazuur en de botten van koning Yax K'uk Mo onderschreef geen Teotihuacanese oorsprong. In plaats daarvan werd geconcludeerd dat hij zijn vroege jaren in de buurt van Tikal doorbracht en later naar Copán verhuisde.