Genom att jämföra den observerade förekomsten av vissa naturligt förekommande radioaktiva isotoper med deras sönderfallsprodukter, och använda kända sönderfallshastigheter, kan man mäta tidsrymder från före jordens tillblivelse fram till i dag. Genom att till exempel mäta förhållandet mellan stabila och radioaktiva isotoper i meteoriter kan man få information om deras historia och ursprung.

Radiometriska dateringsmetoder utvecklades av pionjären Bertram Boltwood 1907, då han som den förste bestämde bergarters ålder genom att mäta produkterna från uranets sönderfall till bly.

I dag betraktas radiometrisk datering som en mycket tillförlitlig dateringsmetod och är den viktigaste informationskällan om den absoluta åldern hos bergarter och andra geologiska formationer, inklusive själva jordens ålder. Metoderna kan också utvidgas till att datera en lång rad material som tillverkats av människan. Eftersom radioaktiva grundämnen har olika halveringstider finns det många olika metoder som lämpar sig för olika tidsskalor. Bland de mest kända metoderna finns kol-14-datering, uran-bly-datering och kalium-argon-datering.

Kol är den grundläggande byggstenen i organiska föreningar och därför en oumbärlig del av livet på jorden. Naturligt kol innehåller två stabila isotoper, ¹²C (98,9 %) och ¹³C (1,1 %), samt en pytteliten mängd av radioisotopen ¹⁴C (1.2 x 10^-12%) med en halveringstid på 5730 år. ¹⁴C bildas av kosmisk strålning i atmosfären och fördelas sedan i naturen (93 % i havet, 5 % i biosfären och 2 % i atmosfären).

Kol (dvs. alla tre isotoperna) tas upp av levande organismer och fylls ständigt på under deras livstid. När en organism dör upphör dock denna process. Det instabila ¹⁴C sönderfaller till ¹⁴N genom betasönderfall (utsändning av en elektron), och halten av ¹⁴C minskar exponentiellt med tiden. Genom att mäta hur mycket ¹⁴C som återstår osönderfallet vid en viss tidpunkt kan man räkna ut hur länge sedan organismen dog.

Kol-14-dateringen utvecklades på 1950-talet, och Willard Libby fick Nobelpriset i kemi 1960 för användningen av ¹⁴C för åldersbestämning inom arkeologi, geologi, geofysik och många andra vetenskapsgrenar.

En masspektrometer kopplad till en accelerator används för att datera prover som bara innehåller några få milligram kol, genom att mäta förhållandet ¹⁴C/¹²C (bild med tillstånd av J. Forest, CNRS Photothèque).

Kol-14-dateringen har dock sina begränsningar. Kol tas bara upp av levande organismer (eller snarare saker som har levt någon gång), som trä eller fossil, så den kan till exempel inte användas för att datera sten eller keramik, och metoden är bara noggrann för föremål som är upp till omkring 60 000 år gamla.

I många år antog man att halten av ¹⁴C i atmosfären var konstant. Vi vet nu att jordens och solens magnetfält förändras över tid. Det betyder att flödet av kosmisk strålning som träffar atmosfären varierar, och därmed varierar också produktionen av ¹⁴C. Det gör det nödvändigt att kalibrera ¹⁴C-dateringarna med hjälp av andra metoder. En sådan metod är dendrokronologi, eller årsringsdatering.

Variationer i årsringarna: 1 - första tillväxtåret, 2 - regnperiod (tjockare ring), 3 - torrperiod (smalare ring) och 4 - ett ärr efter en skogsbrand.

Dendrokronologi går ut på att man tar ett horisontellt tvärsnitt av trädets huvudstam och analyserar de synliga ringar som uppstår genom växtens naturliga tillväxt. Ringarna uppstår genom att tillväxthastigheten förändras under årets årstider, och varje ring markerar oftast ett år i trädets liv. Metoden fungerar bäst i tempererade klimat där årstiderna skiljer sig tydligare åt, och man kan naturligtvis bara datera några hundra år bakåt, eftersom mycket gamla träd är sällsynta.

Många förhistoriska grottmålningar som är upp till 30 000 år gamla har undersökts med kol-14-datering, eftersom de material som användes för det mesta är av organiskt ursprung.

Grottmålningar daterade med ¹⁴C. Bild med tillstånd av N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

Kol-14-datering kan till och med användas för att datera mer ovanliga arkeologiska fynd. I september 1991 hittade två bergsvandrare kroppen av en man som stack halvvägs upp ur isen i ett bergsområde i Alperna. Ismannen, som senare fick smeknamnet Ötzi efter den bergskedja där han hittades, kunde ha dött för mer än 4000 år sedan.

Detaljerade ¹⁴C-mätningar gjordes oberoende av varandra av fyra olika institut på ben och vävnad från Ötzi (i Innsbruck, Bolzano, Zürich och Oxford), på utrustning och material som tydligen tillhörde ismannen (i Uppsala, Gif/Yvette och Wien) och på sediment som samlats in på fyndplatsen (i Wien). Den okalibrerade åldern är 4550 år. När den omräknas till kalibrerad ålder med hjälp av kurvorna från årsringsmetoden visar det sig att Ötzi är omkring 650 år äldre. Ötzi dog alltså mellan 3350 och 3100 f.Kr.

Undersökningen av kroppen avslöjade förbluffande detaljer om hans liv. Analysen av sädeskorn som hittades i tarmarna och av mineraler i håret ledde till slutsatsen att Ötzi kom från Sydtyrolen när han blev fångad av snö och is. Strax före sin död hade han ätit gröt av enkorn (en vetesort), grönsaker och kött. Genom att analysera isotoperna av kol och syre i ismannens tänder och ben kunde forskarna dessutom skilja mellan det land där han tillbringade sin tidiga barndom och det där han bodde senare. Vi vet också att han var en 45-årig man med axellångt, mörkt, vågigt hår och blå ögon. Nyare genomanalyser tyder dock på att Ötzi ursprungligen kom från Sardinien!

Årsringsmetoden är användbar för att kalibrera ¹⁴C-metoden upp till omkring 11 000 år. För åldrar mellan 10 000 och 30 000 år används uran-torium-datering av sjösediment och koraller som kalibreringsmetod.

Under sin livstid tar korallerna upp det uran (med en halveringstid på 245 500 år) som finns i havsvattnet, men de tar inte upp torium (²³⁰Th). När korallerna dör sönderfaller uranet till ²³⁰Th, som ansamlas i deras skelett. Genom att mäta förhållandet U/Th kan man få en uppfattning om korallens ålder.

Torium är dock också radioaktivt och sönderfaller (halveringstid 75 380 år) till andra grundämnen via en lång sönderfallskedja som till slut slutar med bly, vilket gör dateringen lite mer komplicerad. U-Th-metoden kan användas för att datera föremål med åldrar mellan 10 000 och 500 000 år.

Metoden har dock vissa begränsningar. Nyare studier har visat att bly kan bildas genom neutroninfångning och då inte behöver komma från uranets sönderfall. Det skulle ändra dateringsresultaten.

Korall som används som referens för U-Th-dateringsmetoden. Bild med tillstånd av J. Lecomte (CNRS Photothèque).

Termoluminiscens upptäcktes av Sir Boyle 1663. Många kristallina material, som vissa mineral, har egenskapen att de sänder ut ljus när de värms upp. Trehundra år efter denna upptäckt har forskarna lärt sig att förklara effekten. När materialet utsätts för högenergetisk strålning hamnar elektronerna i materialet i ett exciterat tillstånd. I vissa mineral blir denna energi sedan fångad på grund av defekter i kristallgittret. Men när kristallen värms upp kan elektronerna falla ner till skalen med lägre energi och sända ut en foton vid varje sådan övergång.

Pierre och Marie Curie märkte att vissa glasbehållare i deras laboratorium fick en intensiv färg när de träffades av strålning, och att dessa färger försvann samtidigt som ljus sändes ut när materialet värmdes upp.

Man visade att intensiteten hos det utsända ljuset är direkt proportionell mot den strålning mineralet har mottagit. Termoluminiscens kan därför användas för att datera föremål som har utsatts för kosmisk strålning eller strålning från marken, eftersom doserna beror på föremålets ålder.

Metoden har många tillämpningar – som datering av upphettad flinta, lergods och keramik från förhistorisk tid. De äldsta föremål som kan dateras med termoluminiscens är omkring 250 000 år gamla.

Ovan: strålning från radium ger en blå ton åt en glasbehållare från Pierre och Marie Curies laboratorium. Bild med tillstånd av C. Delhaye (CNRS Photothèque).

Till vänster: lergods som med termoluminiscens har daterats till att vara 7 000 till 10 000 år gammalt. Bild med tillstånd av A. Chênè (CNRS Photothèque). Nedan: skelett av en kvinna och ett barn som med termoluminiscens har daterats till att vara 92 000 år gamla. Bild med tillstånd av CEA – CNRS – CFR.

När ⁴⁰K sönderfaller till ⁴⁰Ar inne i berget stannar den gasformiga ⁴⁰Ar kvar i berget och kan inte slippa ut om inte mineralet värms upp. Mängden Ar i ett stycke berg avslöjar därför hur lång tid som har gått sedan det senast svalnade.

K-Ar-metoden lämpar sig väl för att studera vulkanisk aktivitet, och eftersom ⁴⁰K har en halveringstid på 1,3 miljarder år används metoden inom geokronologin för att datera perioder från 10⁶ till 10⁹ år tillbaka i tiden. Radioaktivt ⁴⁰K är vanligt i glimmer, fältspat och hornblände, som har ganska låga slutningstemperaturer (från 125°C för glimmer till 450°C för hornblände).

K-Ar-metoden användes för att fastställa ordningsföljden mellan de geologiska perioderna på jorden, för att bestämma jordens ålder till omkring 4,5 miljarder år och för att tidsbestämma mänsklighetens början (i Östafrika) till för omkring 5 miljoner år sedan. Metoden används också för att mäta hur ofta jordens magnetiska poler kastas om.

⁸⁷Rb sönderfaller till ⁸⁷Sr med en halveringstid på omkring 48 miljarder år. De övriga Sr-isotoperna (A = 84, 86, 88) är stabila, så strontium är ett användbart spårämne för ålder och rubidiumhalt i bergarter och har också använts för att datera prover från månen. Förhållandet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr varierar från 0,703 i unga bergarter till 0,750 i de äldsta. Med ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr-metoden är det möjligt att datera material med åldrar mellan 10 miljoner och 10 miljarder år.

En intressant historia är hur Rb-Sr-datering hjälpte till att fastställa ursprunget hos kung Yax K’ uk Mo, som grundade den dynasti som styrde mayastaden Copán (i dagens Honduras) i 400 år.

På 700-talet blev en blygsam by i Mesoamerika vid namn Copán (i dagens Honduras) en av de viktigaste mayastäderna. Denna uppgång tillskrivs i hög grad Yax K’ uk Mo, som kom till Copán år 427.

Vid den tiden var Teotihuacan på sin höjdpunkt och den största staden i det förcolumbianska Mesoamerika, i Mexikodalen. Städer hundratals kilometer bort efterliknade dess tempelstil och dyrkade samma gudar. Hantverkare från Copán avbildade Yax K’ uk Mo med utsmyckning i Teotihuacanstil, vilket tydligen pekade på kungens ursprung och koppling till Teotihuacan. Yax K’ uk Mos ursprung förblev oklart tills man mätte isotopförhållandena ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr och ¹⁸O / ¹⁶O i tänderna och benen från hans kvarlevor i Copán.

Yucatánhalvön, där kung Yax K’ uk Mo levde och dog, består mest av marina sediment. Den uppvisar en jämn variation i förhållandet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (mellan 0,7049 och 0,7089). Mexikodalen består av vulkaniska bergarter, och där är variationen större, medan värdet i Teotihuacan är lägre (0,7046). Tandemaljen bildar ett hållbart skikt över det underliggande dentinet. Båda innehåller kalcium, men de bildas på mycket olika sätt. Emaljen mineraliseras när tanden växer i barndomen, medan dentin, liksom ben, bildas fortlöpande under hela livet. Strontium liknar kemiskt kalcium och kan ersätta det i tändernas emalj och dentin och i skelettet. Strontium tas upp från födan, och förhållandet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr speglar den lokala jordens beskaffenhet. En persons tandemalj bär alltså det isotopiska fingeravtrycket av maten och vattnet i det land där han eller hon tillbringade sin tidiga barndom, medan isotopförhållandena i dentin och ben speglar var personen senare befann sig. Med värdet 0,7084 motsvarade förhållandet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr i emalj från en av Yax K’ uk Mos tänder värdet i Tikal, norr om Copán.

Till höger: keramikfigur av kung Yax K’ uk Mo avbildad med utsmyckning i Teotihuacanstil (Copyright American Institute of Physics 2004).

Till vänster: mätningar av förhållandet ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr för olika förcolumbianska städer i Mexiko och på Yucatánhalvön (Copyright American Institute of Physics 2004).

Isotopförhållandet ¹⁸O / ¹⁶O kan ge ytterligare en indikation på platsen. Syre tas upp i kroppen via vattnet, och regn från moln nära havet är rikare på ¹⁸O än regn från moln som har dragit långt in över land.

Isotopanalysen av strontium- och syreförhållandena i kung Yax K’ uk Mos tandemalj och ben stödde inte ett ursprung i Teotihuacan. I stället drog man slutsatsen att han tillbringade sina första år nära Tikal och senare flyttade till Copán.