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Physikalische Grundlagen der 14C-Datierung
Drei Kohlenstoffisotope
Kohlenstoff wird in der Natur in drei verschiedenen Isotopen vorgefunden: 12C, 13C und 14C. Den weitaus grössten Anteil (ca. 99 %) stellt dabei das stabile Isotop 12C, gefolgt von 13C (ca. 1 %) und dem radioaktiven Isotop 14C (10-10 %). Statistisch gesehen ist somit jedes billionste Kohlenstoffatom radioaktiv, sodass in modernen atmosphärischen CO2-Proben das Verhältnis 14C zu 12C ca. 1 zu 1012 beträgt. Die entsprechende Radioaktivität beträgt 0,23 Bq pro Gramm Kohlenstoff. Radioaktives 14C wird auch Radiokohlenstoff oder Radiocarbon genannt.
Entstehung von 14C
14C entsteht in der oberen Atmosphäre, wenn Neutronen der kosmischen Strahlung auf Stickstoffatome 14N treffen. Dabei kann folgende Kernreaktion eintreten:
14N(n,p)14C
Bei dieser Reaktion entsteht aus dem 14N-Kern ein 14C-Kern:
Radioaktiver Zerfall von 14C
Im Gegensatz zu den stabilen Isotopen 12C und 13C sind Radiokohlenstoffatome einem β−-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 5730 ± 40 Jahren unterworfen. Dabei entstehen aus einem 14C-Atom jeweils ein 14N-Atom, ein Elektron und ein Antineutrino:
Durch Messung der aktuellen Zerfallsrate und Vergleich der gemessenen Rate mit einer Kalibrationskurve kann das Alter von organischen Materialien ermittelt werden. Dabei werden auch Faktoren wie Fraktionierung, Suess-Effekt, Kernwaffeneffekt und Schwankungen des Verhältnisses zwischen 14C und 12C im Lauf der Jahrhunderte berücksichtigt.
Mit seiner Halbwertszeit von 5730 Jahren eignet sich Radiokohlenstoff besonders zur Datierung von historischen Funden (Holz, Torf, Korallen usw.) bis etwa 50'000 Jahren vor unserer Zeit. An der Universität Bern wird darüber hinaus auch Grundwasser im Bereich 500-20'000 Jahre datiert.