Ved at sammenligne den observerede forekomst af visse naturligt forekommende radioaktive isotoper med deres henfaldsprodukter og bruge kendte henfaldshastigheder kan man måle tidsrum, der strækker sig fra før Jordens fødsel og frem til i dag. Ved for eksempel at måle forholdet mellem stabile og radioaktive isotoper i meteoritter kan man få oplysninger om deres historie og oprindelse.

Radiometriske dateringsteknikker blev udviklet af pioneren Bertram Boltwood i 1907, da han som den første bestemte stens alder ved at måle produkterne fra uranets henfald til bly.

I dag regnes radiometrisk datering for en meget pålidelig dateringsmetode og er den vigtigste informationskilde om den absolutte alder af bjergarter og andre geologiske formationer, herunder selve Jordens alder. Teknikkerne kan også udvides til at datere en lang række menneskeskabte materialer. Da radioaktive grundstoffer har forskellige halveringstider, findes der talrige forskellige metoder, der egner sig til forskellige tidsskalaer. Blandt de bedst kendte teknikker er kulstof-14-datering, uran-bly-datering og kalium-argon-datering.

Kulstof er den grundlæggende byggesten i organiske forbindelser og er derfor en uundværlig del af livet på jorden. Naturligt kulstof indeholder to stabile isotoper, ¹²C (98,9 %) og ¹³C (1,1 %), samt en lillebitte mængde af radioisotopen ¹⁴C (1.2 x 10^-12%) med en halveringstid på 5730 år. ¹⁴C dannes af kosmisk stråling i atmosfæren og fordeles derefter i naturen (93 % i havet, 5 % i biosfæren og 2 % i atmosfæren).

Kulstof (dvs. alle tre isotoper) optages af levende organismer og fornyes hele tiden i løbet af deres liv. Når en organisme dør, standser denne proces imidlertid. Det ustabile ¹⁴C henfalder til ¹⁴N ved betahenfald (udsendelse af en elektron), og indholdet af ¹⁴C falder eksponentielt med tiden. Ved at måle, hvor meget ¹⁴C der er tilbage uhenfaldet på et givet tidspunkt, kan man beregne, hvor længe siden organismen døde.

Kulstof-14-dateringen blev udviklet i 1950'erne, og Willard Libby fik Nobelprisen i kemi i 1960 for at bruge ¹⁴C til aldersbestemmelse inden for arkæologi, geologi, geofysik og mange andre videnskabsgrene.

Et massespektrometer koblet til en accelerator bruges til at datere prøver, der kun indeholder nogle få milligram kulstof, ved at måle forholdet ¹⁴C/¹²C (billedet er venligst stillet til rådighed af J. Forest, CNRS Photothèque).

Kulstof-14-datering har dog sine begrænsninger. Kulstof optages kun af levende organismer (eller rettere ting, der har været levende på et tidspunkt), som træ eller fossiler, så metoden kan for eksempel ikke bruges til at datere sten eller keramik, og den er kun nøjagtig for genstande, der er op til omkring 60.000 år gamle.

I mange år gik man ud fra, at indholdet af ¹⁴C i atmosfæren var konstant. Vi ved nu, at Jordens og Solens magnetfelter ændrer sig over tid. Det betyder, at strømmen af kosmisk stråling, der rammer atmosfæren, varierer, og derfor varierer også produktionen af ¹⁴C. Det gør det nødvendigt at kalibrere ¹⁴C-dateringerne ved hjælp af andre teknikker. En sådan teknik er dendrokronologi, eller årringsdatering.

Variationer i årringene: 1 - det første vækstår, 2 - regntid (tykkere ring), 3 - tørtid (smallere ring) og 4 - et ar efter en skovbrand.

Dendrokronologi går ud på at skære et vandret tværsnit af et træs hovedstamme og analysere de synlige ringe, der skyldes plantens naturlige vækst. Ringene opstår, fordi væksthastigheden ændrer sig gennem årets årstider, og hver ring markerer som regel ét år i træets liv. Teknikken fungerer bedst i tempererede klimaer, hvor årstiderne er mere markant forskellige, og man kan naturligvis kun datere nogle få hundrede år tilbage, da meget gamle træer er sjældne.

Mange forhistoriske hulemalerier, der er op til 30.000 år gamle, er blevet undersøgt med kulstof-14-datering, fordi de anvendte materialer for det meste er af organisk oprindelse.

Hulemalerier dateret med ¹⁴C. Billedet er venligst stillet til rådighed af N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

Kulstof-14-datering kan endda bruges til at datere mere usædvanlige arkæologiske fund. I september 1991 fandt to bjergvandrere liget af en mand, som stak halvt op af isen i et bjergområde i Alperne. Ismanden, der senere fik øgenavnet Ötzi efter den bjergkæde, hvor han blev fundet, kunne være død for mere end 4000 år siden.

Detaljerede ¹⁴C-målinger blev foretaget uafhængigt af hinanden af fire forskellige institutter på knogler og væv fra Ötzi (i Innsbruck, Bolzano, Zürich og Oxford), på udstyr og materialer, der tilsyneladende tilhørte ismanden (i Uppsala, Gif/Yvette og Wien), og på sedimenter indsamlet på fundstedet (i Wien). Den ukalibrerede alder er 4550 år. Når den omregnes til kalibreret alder ved hjælp af kurverne fra årringsteknikken, viser Ötzi sig at være omkring 650 år ældre. Ötzi døde altså mellem 3350 og 3100 f.Kr.

Undersøgelsen af liget afslørede forbløffende detaljer om hans liv. Analysen af korn fundet i tarmene og af mineraler i håret førte til den konklusion, at Ötzi kom fra Sydtyrol, da han blev fanget af sne og is. Han havde kort før sin død spist grød af enkorn (en hvedeart), grøntsager og kød. Ved at analysere isotoperne af kulstof og ilt i ismandens tænder og knogler kunne forskerne desuden skelne mellem det land, hvor han tilbragte sin tidlige barndom, og det, hvor han boede senere. Vi ved også, at han var en 45-årig mand med skulderlangt, mørkt, bølget hår og blå øjne. Nyere genomanalyser tyder dog på, at Ötzi oprindelig stammede fra Sardinien!

Årringsteknikken er nyttig til at kalibrere ¹⁴C-metoden op til omkring 11.000 år. For aldre mellem 10.000 og 30.000 år bruger man uran-thorium-datering af søsedimenter og koraller som kalibreringsteknik.

Mens korallerne lever, optager de det uran (med en halveringstid på 245.500 år), der findes i havvandet, men de optager ikke thorium (²³⁰Th). Når korallerne dør, henfalder uranet til ²³⁰Th, som ophobes i deres skelet. Måling af forholdet U/Th kan give et fingerpeg om korallens alder.

Thorium er dog også radioaktivt og henfalder (halveringstid 75.380 år) til andre grundstoffer via en lang henfaldskæde, der til sidst ender med bly, hvilket gør dateringen en smule mere kompliceret. U-Th-metoden kan bruges til at datere genstande med en alder på mellem 10.000 og 500.000 år.

Metoden har dog visse begrænsninger. Nyere undersøgelser har vist, at bly kan dannes ved neutronindfangning og derfor ikke nødvendigvis stammer fra uranets henfald. Det ville ændre dateringsresultaterne.

Koral, der bruges som reference for U-Th-dateringsmetoden. Billedet er venligst stillet til rådighed af J. Lecomte (CNRS Photothèque).

Termoluminescens blev opdaget af Sir Boyle i 1663. Mange krystallinske materialer, som visse mineraler, har den egenskab, at de udsender lys, når de opvarmes. Tre hundrede år efter denne opdagelse har forskerne lært at forklare effekten. Når materialet udsættes for højenergetisk stråling, bringes elektronerne i materialet i en exciteret tilstand. I nogle mineraler bliver denne energi derefter fanget på grund af defekter i krystalgitteret. Men når krystallen opvarmes, kan elektronerne falde ned i skallerne med lavere energi og udsende en foton ved hver sådan overgang.

Pierre og Marie Curie bemærkede, at nogle glasbeholdere i deres laboratorium fik en intens farve, når de blev ramt af stråling, og at disse farver forsvandt, samtidig med at der blev udsendt lys, når materialet blev opvarmet.

Det blev påvist, at intensiteten af det udsendte lys er direkte proportional med den stråling, mineralet har modtaget. Termoluminescens kan derfor bruges til at datere genstande, der har været udsat for kosmisk stråling eller for stråling fra jorden, da doserne afhænger af genstandens alder.

Teknikken har mange anvendelser – som datering af opvarmet flint, lertøj og keramik fra forhistorisk tid. De ældste genstande, der kan dateres ved termoluminescens, er omkring 250.000 år gamle.

Øverst: Stråling fra radium giver en blålig farvetone i en glasbeholder fra Pierre og Marie Curies laboratorium. Billedet er venligst stillet til rådighed af C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Til venstre: Lertøj, der ved termoluminescens er dateret til at være 7.000 til 10.000 år gammelt. Billedet er venligst stillet til rådighed af A. Chênè (CNRS Photothèque). Nederst: Skeletter af en kvinde og et barn, der ved termoluminescens er dateret til at være 92.000 år gamle. Billedet er venligst stillet til rådighed af CEA – CNRS – CFR.

Når ⁴⁰K henfalder til ⁴⁰Ar inde i en sten, bliver den gasformige ⁴⁰Ar inde i stenen og kan ikke slippe ud, medmindre mineralet opvarmes. Mængden af Ar i et stykke sten afslører derfor, hvor lang tid der er gået, siden det sidst blev afkølet.

K-Ar-metoden er velegnet til at studere vulkansk aktivitet, og da ⁴⁰K har en halveringstid på 1,3 milliarder år, bruges metoden inden for geokronologi til at datere perioder fra 10⁶ til 10⁹ år tilbage i tiden. Radioaktivt ⁴⁰K er almindeligt i glimmer, feldspat og hornblende, som har ret lave lukketemperaturer (fra 125°C for glimmer til 450°C for hornblende).

K-Ar-metoden blev brugt til at fastlægge rækkefølgen af de geologiske perioder på Jorden, til at fastsætte Jordens alder til omkring 4,5 milliarder år og til at tidsfæste menneskehedens begyndelse (i Østafrika) til for omkring 5 millioner år siden. Metoden bruges også til at måle, hvor ofte Jordens magnetiske poler vender.

⁸⁷Rb henfalder til ⁸⁷Sr med en halveringstid på omkring 48 milliarder år. De øvrige Sr-isotoper (A = 84, 86, 88) er stabile, så strontium er en nyttig sporstof for alderen og rubidiumindholdet i bjergarter og er også blevet brugt til at datere prøver fra Månen. Forholdet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr varierer fra 0,703 i unge bjergarter til 0,750 i de ældste. Med ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr-metoden er det muligt at datere materialer med en alder på mellem 10 millioner og 10 milliarder år.

En interessant historie er, hvordan Rb-Sr-datering hjalp med at fastslå oprindelsen af kong Yax K’ uk Mo, som grundlagde det dynasti, der regerede mayabyen Copán (i det nuværende Honduras) i 400 år.

I det 8. århundrede blev en beskeden landsby i Mesoamerika ved navn Copán (i det nuværende Honduras) en af de vigtigste mayabyer. Denne opblomstring tilskrives i høj grad Yax K’ uk Mo, som kom til Copán i år 427.

På det tidspunkt var Teotihuacan på sit højeste og var den største by i det præcolumbianske Mesoamerika i Mexicodalen. Byer flere hundrede kilometer væk efterlignede dens tempelstil og tilbad de samme guder. Kunsthåndværkere fra Copán afbildede Yax K’ uk Mo med udsmykning i Teotihuacan-stil, hvilket tilsyneladende pegede på kongens oprindelse og forbindelse med Teotihuacan. Yax K’ uk Mos oprindelse forblev uklar, indtil man målte isotopforholdene ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr og ¹⁸O / ¹⁶O i tænderne og knoglerne fra hans jordiske rester i Copán.

Yucatán-halvøen, hvor kong Yax K’ uk Mo levede og døde, består for det meste af marine sedimenter. Den udviser en jævn variation i forholdet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (mellem 0,7049 og 0,7089). Mexicodalen består af vulkanske bjergarter, og her er variationen større, mens værdien i Teotihuacan er lavere (0,7046). Tandemaljen danner et holdbart lag over det underliggende dentin. Begge indeholder calcium, men de dannes på meget forskellig måde. Emaljen mineraliseres, når tanden vokser i barndommen, mens dentin ligesom knogler dannes løbende gennem hele livet. Strontium minder kemisk om calcium og kan erstatte det i tændernes emalje og dentin og i knoglerne. Strontium optages fra føden, og forholdet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr afspejler den lokale jordbunds beskaffenhed. En persons tandemalje bærer således det isotopiske fingeraftryk af maden og vandet i det land, hvor vedkommende tilbragte sin tidlige barndom, mens isotopforholdene i dentin og knogler afspejler, hvor personen opholdt sig senere. Med en værdi på 0,7084 svarede forholdet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr i emalje fra en af Yax K’ uk Mos tænder til værdien i Tikal, nord for Copán.

Til højre: Keramikfigur af kong Yax K’ uk Mo afbildet med udsmykning i Teotihuacan-stil (Copyright American Institute of Physics 2004).

Til venstre: Målinger af forholdet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr for forskellige præcolumbianske byer i Mexico og på Yucatán-halvøen (Copyright American Institute of Physics 2004).

Isotopforholdet ¹⁸O / ¹⁶O kan give endnu en indikation af stedet. Ilt optages i kroppen gennem vandforsyningen, og regn fra skyer tæt på havet er rigere på ¹⁸O end regn fra skyer, der har bevæget sig langt ind over land.

Isotopanalysen af strontium- og iltforholdene i kong Yax K’ uk Mos tandemalje og knogler støttede ikke en oprindelse i Teotihuacan. I stedet konkluderede man, at han tilbragte sine første år i nærheden af Tikal og senere flyttede til Copán.