Ved å sammenligne den observerte mengden av visse naturlig forekommende radioaktive isotoper med mengden av henfallsproduktene deres, og ved å bruke kjente henfallsrater, kan man måle tidsskalaer som strekker seg fra før jorda ble til og fram til i dag. Ved for eksempel å måle forholdet mellom stabile og radioaktive isotoper i meteoritter kan vi få informasjon om historien og opprinnelsen deres.

Radiometriske dateringsmetoder ble utviklet av Bertram Boltwood i 1907, da han som den første bestemte alderen til bergarter ved å måle henfallsproduktene fra uran til bly.

I dag regnes radiometrisk datering som en svært pålitelig dateringsmetode og som den viktigste kilden til informasjon om den absolutte alderen til bergarter og andre geologiske formasjoner, også alderen til selve jorda. Teknikkene kan også utvides til å datere en rekke menneskeskapte materialer. Fordi radioaktive grunnstoffer har ulike halveringstider, finnes det mange forskjellige metoder som passer for ulike tidsskalaer. Blant de mest kjente teknikkene er radiokarbondatering, uran-bly-datering og kalium-argon-datering.

Karbon er den grunnleggende byggesteinen i organiske forbindelser og derfor en helt nødvendig del av livet på jorda. Naturlig karbon inneholder to stabile isotoper, ¹²C (98,9 %) og ¹³C (1,1 %), samt en bitte liten mengde av radioisotopen ¹⁴C (1.2 x 10^-12%) med en halveringstid på 5730 år. ¹⁴C dannes av kosmisk stråling i atmosfæren og fordeles deretter i naturen (93 % i havet, 5 % i biosfæren og 2 % i atmosfæren).

Karbon (det vil si alle tre isotopene) tas opp av levende organismer og fornyes kontinuerlig gjennom hele livssyklusen deres. Men når en organisme dør, stanser denne prosessen. Det ustabile ¹⁴C henfaller til ¹⁴N gjennom betahenfall (utsending av et elektron), og innholdet av ¹⁴C avtar eksponentielt med tiden. Ved å måle hvor mye ¹⁴C som ennå ikke har henfalt på et gitt tidspunkt, kan man regne ut hvor lenge det er siden organismen døde.

Radiokarbondatering ble utviklet på 1950-tallet, og Willard Libby fikk Nobelprisen i kjemi i 1960 for bruken av ¹⁴C til aldersbestemmelse i arkeologi, geologi, geofysikk og mange andre vitenskapsgrener.

Et massespektrometer koblet til en akselerator brukes til å datere prøver som inneholder bare noen få milligram karbon, ved å måle forholdet ¹⁴C/¹²C (Bilde: J. Forest, CNRS Photothèque).

Radiokarbondatering har likevel sine begrensninger. Karbon tas bare opp av levende organismer (eller rettere sagt ting som en gang var levende), som tre eller fossiler, så metoden kan for eksempel ikke brukes til å datere stein eller keramikk, og den er bare nøyaktig for gjenstander som er opptil omkring 60 000 år gamle.

I mange år antok man at innholdet av ¹⁴C i atmosfæren var konstant. I dag vet vi at jordas og solas magnetfelt endrer seg over tid. Det betyr at strømmen av kosmisk stråling som treffer atmosfæren, varierer, og dermed varierer også produksjonsraten av ¹⁴C. Derfor er det nødvendig å kalibrere ¹⁴C-dateringene ved hjelp av andre teknikker. En slik teknikk er dendrokronologi, eller årringdatering.

Variasjoner i årringene: 1 – første vekstår, 2 – regntid (tykkere ring), 3 – tørketid (smalere ring) og 4 – et arr etter en skogbrann.

Dendrokronologi går ut på å ta et horisontalt tverrsnitt av hovedstammen til et tre og analysere de synlige ringene som skyldes plantens naturlige vekst. Ringene oppstår fordi veksthastigheten endrer seg gjennom årstidene, og hver ring markerer vanligvis ett år i treets liv. Teknikken fungerer best i tempererte strøk, der årstidene skiller seg tydeligere fra hverandre, og man kan naturligvis bare datere noen hundre år tilbake, siden svært gamle trær er sjeldne.

Mange forhistoriske hulemalerier som er opptil 30 000 år gamle, er undersøkt med radiokarbondatering, fordi materialene som ble brukt, for det meste er av organisk opprinnelse.

Hulemalerier datert med ¹⁴C. Bilde: N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

Radiokarbondatering kan til og med brukes til å datere mer uvanlige arkeologiske funn. I september 1991 oppdaget to fjellvandrere liket av en mann som stakk halvveis ut av isen i et fjellområde i Alpene. Ismannen, som senere fikk kallenavnet Ötzi etter fjellkjeden der han ble funnet, kan ha dødd for mer enn 4000 år siden.

Detaljerte ¹⁴C-målinger ble utført uavhengig av hverandre av fire ulike institutter på knokler og vev fra Ötzi (i Innsbruck, Bolzano, Zürich og Oxford), på utstyr og materialer som tilsynelatende tilhørte ismannen (i Uppsala, Gif-sur-Yvette og Wien) og på sedimenter fra funnstedet (i Wien). Den ukalibrerte alderen er 4550 år. Når den omregnes til kalibrert alder ved hjelp av kurver fra årringmetoden, viser Ötzi seg å være omkring 650 år eldre. Ötzi døde altså mellom 3350 og 3100 f.Kr.

Analysen av liket avslørte forbløffende detaljer om livet hans. Analysen av korn som ble funnet i tarmene, og av mineraler i håret førte til konklusjonen at Ötzi kom fra Sør-Tirol da han ble fanget av snø og is. Kort før han døde, hadde han spist grøt av enkorn (en hvetesort), grønnsaker og kjøtt. Ved å analysere karbon- og oksygenisotopene i ismannens tenner og knokler kunne forskerne dessuten skille landet der han tilbrakte de første barneårene, fra landet der han bodde senere. Vi vet også at han var en 45 år gammel mann med skulderlangt, mørkt, bølgete hår og blå øyne. Nyere genomanalyser tyder likevel på at Ötzi opprinnelig kom fra Sardinia!

Årringmetoden er nyttig for å kalibrere ¹⁴C-metoden opptil omkring 11 000 år tilbake. For aldre mellom 10 000 og 30 000 år brukes uran-thorium-datering av innsjøsedimenter og koraller som kalibreringsteknikk.

I løpet av livet tar korallene opp uranet (med en halveringstid på 245 500 år) som finnes i sjøvannet, men de tar ikke opp thorium (²³⁰Th). Når korallene dør, henfaller uranet til ²³⁰Th, som hoper seg opp i skjelettet deres. Ved å måle forholdet U/Th kan man få en indikasjon på korallens alder.

Men thorium er også radioaktivt og henfaller (halveringstid 75 380 år) til andre grunnstoffer gjennom en lang henfallskjede som til slutt ender med bly, og det gjør dateringen litt mer komplisert. U-Th-metoden kan brukes til å datere objekter som er mellom 10 000 og 500 000 år gamle.

Metoden har imidlertid noen begrensninger. Nyere studier har vist at bly kan dannes ved nøytroninnfangning og derfor ikke nødvendigvis stammer fra henfall av uran. Det ville endre dateringsresultatene.

Korall som brukes som referanse for U-Th-dateringsmetoden. Bilde: J. Lecomte (CNRS Photothèque).

Termoluminescens ble oppdaget av Sir Boyle i 1663. Mange krystallinske materialer, for eksempel visse mineraler, har den egenskapen at de sender ut lys når de varmes opp. Tre hundre år etter oppdagelsen lærte forskerne å forklare denne effekten. Når materialet utsettes for høyenergetisk stråling, går elektronene i materialet over i en eksitert tilstand. I noen mineraler blir denne energien så fanget inne på grunn av defekter i krystallgitteret. Men når krystallen varmes opp, kan elektronene falle ned til skall med lavere energi og sende ut et foton ved hver slik overgang.

Pierre og Marie Curie la merke til at noen glassbeholdere i laboratoriet deres fikk en intens farge når de ble truffet av stråling, og at fargene forsvant samtidig som det ble sendt ut lys når materialet ble varmet opp.

Det ble vist at intensiteten til lyset som sendes ut, er direkte proporsjonal med strålingen mineralet har mottatt. Termoluminescens kan derfor brukes til å datere gjenstander som har vært utsatt for kosmisk stråling eller stråling fra bakken, siden dosene avhenger av gjenstandens alder.

Teknikken har mange anvendelser – for eksempel datering av oppvarmet flint, leirkar og keramikk fra forhistorisk tid. De eldste gjenstandene som kan dateres med termoluminescens, er omkring 250 000 år gamle.

Over: stråling fra radium gir en blåaktig farge til en glassbeholder fra Pierre og Marie Curies laboratorium. Bilde: C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Til venstre: keramikk som med termoluminescens er datert til å være 7000 til 10 000 år gammel. Bilde: A. Chênè (CNRS Photothèque). Nedenfor: skjeletter av en kvinne og et barn som med termoluminescens er datert til å være 92 000 år gamle. Bilde: CEA – CNRS – CFR.

Når ⁴⁰K henfaller til ⁴⁰Ar inne i en bergart, blir den gassformige ⁴⁰Ar-en værende inne i bergarten og kan ikke slippe ut med mindre mineralet varmes opp. Mengden Ar i en bergartsprøve viser dermed hvor lang tid som har gått siden den sist ble avkjølt.

K-Ar-metoden egner seg godt til å studere vulkansk aktivitet, og siden ⁴⁰K har en halveringstid på 1,3 milliarder år, brukes metoden i geokronologien til å datere perioder fra 10⁶ til 10⁹ år tilbake i tid. Radioaktivt ⁴⁰K er vanlig i glimmer, feltspat og hornblende, som har ganske lave lukningstemperaturer (fra 125 °C for glimmer til 450 °C for hornblende).

K-Ar-metoden ble brukt til å fastslå rekkefølgen av de geologiske periodene på jorda, til å fastsette jordas alder til omkring 4,5 milliarder år og til å tidfeste menneskehetens begynnelse (i Øst-Afrika) til for omkring 5 millioner år siden. Metoden brukes også til å måle hvor ofte jordas magnetiske poler snur.

⁸⁷Rb henfaller til ⁸⁷Sr med en halveringstid på omkring 48 milliarder år. De andre Sr-isotopene (A = 84, 86, 88) er stabile, så strontium er et nyttig sporstoff for alderen og rubidiuminnholdet i bergarter, og det er også brukt til å datere prøver fra månen. Forholdet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr varierer fra 0,703 i unge bergarter til 0,750 i de eldste. Med ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr-metoden er det mulig å datere materialer som er mellom 10 millioner og 10 milliarder år gamle.

En interessant historie er hvordan Rb-Sr-datering bidro til å fastslå opprinnelsen til kong Yax K’ uk Mo, som grunnla dynastiet som styrte mayabyen Copán (i dagens Honduras) i 400 år.

På 700-tallet ble en beskjeden landsby i Mesoamerika ved navn Copán (i dagens Honduras) en av de viktigste mayabyene. Denne økte betydningen tilskrives i stor grad Yax K’ uk Mo, som kom til Copán i år 427.

På den tiden var Teotihuacan på høyden av sin makt, den største byen i førcolumbiansk Mesoamerika, i Mexicodalen. Byer hundrevis av kilometer unna kopierte tempelstilen og tok til seg de samme gudene. Håndverkere fra Copán framstilte Yax K’ uk Mo med utsmykning fra Teotihuacan, noe som tilsynelatende viste til kongens opprinnelse og tilknytning til Teotihuacan. Opprinnelsen til Yax K’ uk Mo forble uklar helt til man målte isotopforholdene ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr og ¹⁸O / ¹⁶O i tennene og knoklene i levningene hans i Copán.

Yucatán-halvøya, der kong Yax K’ uk Mo levde og døde, består for det meste av marine sedimenter. Der varierer forholdet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr jevnt (mellom 0,7049 og 0,7089). Mexicodalen består av vulkanske bergarter, og der er variasjonen større, mens verdien i Teotihuacan er lavere (0,7046). Tannemaljen er et slitesterkt belegg over dentinet under. Begge inneholder kalsium, men de dannes på svært forskjellige måter. Emaljen mineraliseres når tanna vokser i barndommen, mens dentinet, i likhet med knoklene, dannes kontinuerlig gjennom hele livet. Strontium ligner kjemisk på kalsium og kan erstatte det i tennenes emalje og dentin og i knoklene. Strontium tas opp fra maten, og forholdet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr gjenspeiler egenskapene til jordsmonnet på stedet. En persons tannemalje bærer derfor den isotopiske signaturen fra maten og vannet i landet der vedkommende tilbrakte de første barneårene, mens isotopforholdene i dentin og knokler gjenspeiler hvor personen oppholdt seg senere. Med en verdi på 0,7084 tilsvarte forholdet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr i emaljen fra en tann fra Yax K’ uk Mo verdien i Tikal, nord for Copán.

Til høyre: keramikkfigur av kong Yax K’ uk Mo framstilt med utsmykning fra Teotihuacan (Copyright American Institute of Physics 2004).

Til venstre: målinger av forholdet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr for ulike førcolumbianske byer i Mexico og på Yucatán-halvøya (Copyright American Institute of Physics 2004).

Isotopforholdet ¹⁸O / ¹⁶O kan gi enda en indikasjon på stedet. Oksygen kommer inn i kroppen gjennom drikkevannet, og regn fra skyer nær havet er rikere på ¹⁸O enn regn fra skyer som har beveget seg langt inn over land.

Isotopanalysen av strontium- og oksygenforholdene i tannemaljen og knoklene til kong Yax K’ uk Mo støttet ikke en opprinnelse i Teotihuacan. I stedet konkluderte man med at han tilbrakte de første årene av livet nær Tikal og senere flyttet til Copán.