C14-datering
C14-datering is een methode van radiometrische datering waarmee de ouderdom van organisch materiaal en ecofacten wordt bepaald met behulp van koolstof-14 isotopen. Koolstof-14 (14C) is een isotoop van koolstof die in onze atmosfeer uit stikstofkernen gevormd wordt. Dit gebeurt door kernreacties ten gevolge van de kosmische straling waaraan de aarde voortdurend blootstaat.
De methode is bruikbaar voor materialen tot circa 60.000 jaar oud. De techniek werd in 1949 ontdekt door Willard Frank Libby en zijn collega's van de University of Chicago. In 1960 ontving Libby hiervoor de Nobelprijs in de scheikunde.
Inhoud |
[bewerk] Mechanisme
Planten nemen deze licht radioactieve vorm van koolstof op via hun gaswisseling en bouwen deze in door hun fotosynthese en stofwisseling. Hierdoor krijgen dieren die van die planten leven de isotoop binnen, en vervolgens weer dieren die van dieren leven, enzovoort. Alle levende wezens hebben in hun lichaam dus nagenoeg dezelfde verhouding tussen 14C en de stabiele koolstofisotopen als bestaat in de atmosfeer.
[bewerk] Scheikundige achtergrond
Koolstof heeft twee stabiele, dat wil zeggen niet radioactieve isotopen: koolstof-12 (12C), en koolstof-13 (13C). Daarnaast zijn er zeer geringe hoeveelheden van het instabiele koolstof-14 (14C) op Aarde. 14C heeft een halfwaardetijd van 5736 jaar, ongeacht wat er chemisch met het materiaal gebeurt. Dat wil zeggen dat na 5736 jaar de helft van alle 14C is verdwenen (veranderd in 14N), na 2 maal 5736 jaar driekwart, en na 57.360 jaar 99,9%. 14C zou al lang van de aarde verdwenen zijn als er niet een continue aanvoer van nieuwe 14C-atomen is als gevolg van de kosmische straling die stikstof uit de atmosfeer omzet in de koolstofisotoop.
Zodra kosmische straling de atmosfeer binnendringt, ondergaat deze verschillende transformaties, waaronder de productie van neutronen. Deze neutronen spelen een rol in de reactie waarbij een van de stikstof-atomen uit het stikstofmolecuul (N2) gestoten wordt:
- 1neutron + 14N → 14C + 1proton
De grootste hoeveelheid van 14C wordt gevormd op 9 tot 15 km hoogte. Het aardmagnetisch veld is van invloed. Het 14C wordt vervolgens gelijk over de atmosfeer verdeeld en reageert met zuurstof tot koolstofdioxide (CO2). Koolstofdioxide lost onder andere op in de oceanen, maar wordt ook direct door organisch materiaal op land opgenomen. De hoeveelheid 14C dat wordt gevormd is afhankelijk van de intensiteit van de kosmische straling. Voor 14C dateringen wordt doorgaans aangenomen dat deze straling constant is, en dat als gevolg daarvan de verhouding tussen koolstof-14 en de niet radioactieve koolstof isotopen ook constant is, namelijk ongeveer 1 deel per biljoen (1 parts per trillion). Voor een exactere ouderdomsbepaling kunnen schattingen van variaties in de kosmische straling gemaakt worden.
[bewerk] Na de dood
Zodra een organisme sterft houdt de uitwisseling van koolstofbevattende verbindingen op, en neemt het gehalte aan 14C dus (zeer langzaam, conform de halfwaardetijd) af.
Zoals alle radioactieve isotopen vervalt 14C met een constante snelheid, die (nagenoeg) niet door externe invloeden verandert.
- 14C → 14N + 0β
Door een β deeltje uit te stoten (Beta-verval), verandert 14C in het nietradioactieve stikstof-14 (14N). De mate waarin dit verval al is opgetreden, kan vervolgens gebruikt worden om te bepalen hoe lang geleden het organisme gestopt is met het uitwisselen van 14C met zijn omgeving.
Materiaal dat erg oud is (bijvoorbeeld steenkool), zal daarom vrijwel geen 14C meer bevatten. Met behulp van massaspectrometrie kunnen de relatieve gehaltes aan verschillende isotopen nauwkeurig worden bepaald.
Het radioactieve 14C vormt dus een "klok" die tikt met constante snelheid.
[bewerk] Jaarringen
Naast de 14C-methode bestaat er de dendrochronologie, die door jaarringenonderzoek van (zeer) oude nog levende bomen en opgegraven stammen van nog oudere dode bomen zowel een tot op het jaar bekende ouderdom van die boom als een koolstofbevattend houtmonster van die ouderdom kan leveren. Hierdoor kon de ouderdomsschaal volgens de 14C-methode aan de hand van de dendrochronologie tot tienduizend en meer jaren terug worden geijkt.
[bewerk] Onzekerheidsmarge
Zoals bij alle metingen het geval is, is een ouderdom bepaald met behulp van deze methode onderhevig aan een bepaalde onzekerheidsmarge.
- De grootte van de onzekerheid neemt toe naarmate het materiaal ouder is, doordat er dan steeds minder 14C aanwezig is. Voor vondsten van de laatste paar duizend jaar werkt de methode echter doorgaans goed en door verbeteringen in de meetmethoden is het mogelijk gebleken om met steeds kleinere hoeveelheden materiaal toch een zinvolle meting te doen. De grens ligt bij ongeveer 60.000 jaar.
- Er mag geen verontreiniging van het materiaal met (nieuw) levend materiaal hebben plaatsgevonden. Als micro-organismen zich bijvoorbeeld op een later tijdstip in het oorspronkelijke materiaal vestigen en ook koolstofdioxide uit de atmosfeer openemen, zal de ouderdom worden onderschat (het monster lijkt jonger).
- Waterplanten krijgen een deel van de koolstof die ze opnemen, niet in de vorm van koolstofdioxide (CO2) binnen, maar in de vorm van opgeloste carbonaten. Vaak zijn deze in water opgeloste koolstofverbindingen al erg oud, waardoor ze geen of veel minder 14C bevatten. Dit geldt ook voor de dieren die zich weer voeden met dit soort waterplanten. Waterplanten en dieren die hiervan leven, lijken op basis van hun 14C-datering ouder dan ze in werkelijkheid zijn. Dit is het zogenaamde hardwater-effect.
- De aanvangsconcentratie van het 14C in levende organismen is niet altijd precies gelijk, omdat het productieproces, en daarmee het 14C-gehalte van de atmosfeer, onder andere als gevolg van kosmische-stralingsvariaties zelf ook varieert.
- Door de bovengrondse kernproeven uit de tweede helft van de 20ste eeuw is de productie van 14C in de atmosfeer toegenomen. Hoewel het probleem nu nog niet speelt (er zijn betere methoden om de ouderdom van zeer recent afgestorven organisch materiaal te bepalen), is dit wel voor de (verre) toekomst een verstorende factor.
- Koolstofdioxide komt ook vrij bij verbranding van fossiele brandstoffen. Planten naast een snelweg of in de buurt van een industrieterrein zullen dus hogere concentraties CO2 afkomstig van fossiele brandstoffen opnemen. Doordat de koolstofverbindingen uit de fossiele brandstoffen al miljoenen jaren geleden aan de atmosfeer onttrokken zijn, is hier nagenoeg geen 14C meer in aanwezig. Evenals de verstoring van het natuurlijke niveau van 14C door bovengrondse kernproeven, verstoort de verbranding van fossiele brandstoffen het natuurlijk 14C-niveau (zij het in de tegengestelde richting).
