Dendrochronologie zur Eichung der c 14 Methode

Klimaschwankungen (feuchte oder trockene Jahre, warme oder kühle Sommer) können sich im

Wachstum des Baumbestandes eines einheitlichen Klimagebietes gleichmäßig auswirken. Es

ergeben sich unregelmäßige Baumjahresringe, die in der am Querschnitt eines Stammes

ablesbaren Ringfolge als Zeitmarken auffallen. Durch Aneinanderreihung von Jahresringen alter

Bäumen bekannten Alters und durch Überlappung mit Jahresringen von historischen und

archäologischen Holzfunden (Moorbäume) läßt sich eine lückenlose Jahresringfolge über die

letzten 8000-9000 Jahre erstellen. Somit ist man im Besitz von Eichmaterial bekannten Alters

mit deren Hilfe die C-14 Konzentration in der Atmosphäre über die letzten 9000 Jahre bestimmt

werden konnte

Die Dendrochronologie ist eine Wissenschaft, die sich mit den Jahrringen von Bäumen, genauer

gesagt mit Folgen von Jahrringbreiten, beschäftigt. Das Wachstum der Bäume, und somit die

Breite der Jahrringe, hängt von für jeden Baum individuellen, sowie von allgemeineren Faktoren

ab. Allgemeine Faktoren wie Temperatur und Feuchtigkeit beeinflussen das Wachstum von

Bäumen in einem bestimmten Umkreis in gleicher Weise, so daß sich z.B. ein klimatisch sehr

gutes Jahr in vielen Bämen gleichermaßen anhand eines breiten Jahrringes erkennen läßt. Eine

Folge von Jahrringbreiten eines Baumstammes spiegelt also im Groben das Klima der Region

wieder, in der der Baum gewachsen ist, und alle anderen Bäume aus derselben Region haben

einander ähnelnde Jahrringbreiten-Folgen. Aus den Jahrringbreiten-Folgen von Bäumen

verschiedenen Alters aus einer Region, deren Lebenszeit sich aber um einige Jahre

überschneidet, kann man eine noch längere Jahrringbreiten-Folge zusammenstellen, die dann

natürlich die Jahrringbreiten mehrer Bäume repräsentiert, die aber im Groben immer noch das

Klima der Region, aus der die Bäume stammen, wiederspiegelt. Eine solche aus

Jahrringbreiten-Folgen mehrer Bäume zusammengestellte Jahrringbreiten-Folge nennt man

Jahrringchronologie

. Eine bisher undatierte Holzprobe kann nun anhand einer solchen

Jahrringchronologie datiert werden, indem die Jahrringbreiten-Folge der Holzprobe mit einer

entsprechenden Jahrringchronologie verglichen wird. Der Prozess des Vergleichens von

Jahrringbreiten-Folgen wird als

Crossdating

bezeichnet. Abstrakt gesehen vergleicht man dabei

also zwei Folgen von Zahlen (die den Breiten der Jahrringe entsprechen). Dieses Vergleichen

geschieht zur Zeit einerseits mit statistischen Korrellationsmethoden, wobei zum Beispiel der t-

Wert berechnet wird. Andererseits wird der Richtungssinn der Jahrringbreitenkurven verglichen,

wobei dann der Gleichläufigkeitskoeffizient der beiden Kurven berechnet wird, oder

Weiserjahre, d.h. Jahre, in denen viele Kurve den selben Richtungssinn aufweisen, werden

miteinander verglichen. In meiner Diplomarbeit habe ich bei den statistischen

Korrelationsmethoden zur Beschleunigung der Laufzeiten die schnelle Fourier Transformation

(FFT) zur Berechnung der Korrelationskoeffizienten angewandt. Weiterhin habe ich einen auf

dem Editierabstand für Zeichenketten basierenden Crossdating-Algorithmus entwickelt, der

fehlende oder doppelte Jahrringe berücksichtigt.

Die C-14- oder Radiokarbon-Methode

Übersicht

Wie alt ist die Erde? Wann starben die Saurier aus? Wie alt sind die ägyptischen Pyramiden?

Ist ein neu aufgetauchter ′Rembrandt′ echt?

Um solche Fragestellungen zu lösen, braucht es die Möglichkeit das Alter eines

interessierenden Objekts zu bestimmen - und zwar oft unter maximaler Schonung desselben.

Schliesslich will man die Echtheit eines ′Rembrandts′ prüfen, ohne diesen zu zerstören.

Besonders die Erforschung der Erdgeschichte und der Menschheitsgeschichte ist auf

zuverlässige und genaue Altersbestimmungen angewiesen.

In diesem Kapitel erfahren Sie am Beispiel der C-14-Methode, wie mit Hilfe der Radioaktivität

Altersbestimmungen mit beeindruckender Genauigkeit gemacht werden können. Mit

verschiedenen Methoden, die auf der Radioaktivität beruhen, wird dabei fast der gesamte

Zeitraum von der Entstehung der Erde bis heute zugänglich.

Der Schwerpunkt soll dabei für einmal nicht in der Physik allein liegen! Hier behandeln Sie ein

Parade-Beispiel sogenannt interdisziplinärer Forschung.

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Vorgehen

Um von Beginn weg zu wissen, worauf es in diesem Kapitel ankommt, müssen Sie sich die

Lernziele so gut merken, dass Sie sie während dem ganzen Studium dieses Kapitels vor Augen

haben. So profitieren Sie am meisten.

Nach einer zeitlichen Übersicht über die Vergangenheit der Erde und der Menschen sollte Ihr

Interesse für Altersbestimmungsmethoden geweckt sein. Sie befassen sich dann mit den

physikalischen Grundlagen der Altersbestimmung durch Radioaktivitätsmessung. Diese werden

Ihnen anhand der Radiokarbon-Datierung (C-14-Methode) erläutert.

Darauf werden Ihnen die zwei wichtigsten Messtechniken der C-14-Datierung vorgestellt.

Prägen Sie sich die Haupteigenschaften dieser Techniken ein!

Im 4. Abschnitt sollen Sie lernen, dass Messungen nie absolut genau sind.

Messungenauigkeiten, aber auch naturgegebene Einschränkungen wirken sich auf die

Aussagekraft der Altersangabe bei der C-14-Methode aus.

Wenn Sie sich soweit durchgearbeitet haben, dürfen Sie aus einer kleinen Auswahl an

Fachliteratur diejenige aussuchen, die Sie persönlich am meisten interessiert. In der Bibliothek

hat es für fast jeden Geschmack einen Artikel!

Natürlich enthält auch dieses Kapitel Aufgaben, um das neu Gelernte sofort anzuwenden. Die

Lösungen sind am Ende des Kapitels zu finden.

Wenn Sie alles durchgearbeitet haben, lösen Sie die Kontrollaufgaben. Diese zeigen Ihnen, ob

Sie den behandelten Stoff verstanden haben. Urteilen Sie selbst, ob Sie reif sind für den

Kapiteltest!

Da dieses Additum nicht von allen Schülern behandelt wird, wird der Kapiteltest ersetzt durch

die Aufgabe, ein Kurzreferat über die C-14-Methode vorzubereiten

Im September 1991 wurde in den Ötztaler-Alpen (Österreich) eine mumifizierte Leiche entdeckt.

Über diesen Fund, der von grosser geschichtlicher Bedeutung ist, wurde auch in der Presse viel

berichtet. Liebevoll wurde die Mumie "Ötzi" genannt. Das Hauptinteresse galt natürlich dem

Alter des Leichnams, denn bis anhin wurde angenommen, dass die Eisregionen der Alpen in

der Vergangenheit von den Menschen gemieden wurden.

Bild 1: Der "Ötzi" aus dem Tirol

Um das Alter der Mumie zu bestimmen, verwendet man die sogenannte C-14-Methode. Worauf

die C-14-Methode beruht, wird im folgenden diskutiert (eigentlich sind Sie beim Literaturstudium

in Kapitel 2 schon auf die C-14-Methode gestossen!).

2.1 Produktion und Verteilung von C-14

Sogenannte kosmische Strahlung trifft ständig auf die Erdatmosphäre. In der oberen
Atmosphäre werden durch diese Strahlung freie Neutronen erzeugt. Diese Neutronen
gehen in der unteren Atmosphäre folgende Reaktion ein:

N-14 + n ---> C-14 + p

Ein Stickstoffatom (Anteil in der Luft 80 %) wird also zu einem C-14 umgewandelt. Das

freiwerdende Proton ist nicht weiter von Bedeutung.

Aufgabe A.2:Schauen Sie in der Isotopentabelle die Halbwertszeit und die Zerfallsart von
C-14, C-13 und C-12 nach!
Der Unterschied zwischen C-14, C-13 und C-12 liegt ja, wie Sie wissen, nur in der Anzahl
Neutronen im Kern. Es handelt sich um einen kernphysikalischen Unterschied.
Chemische Eigenschaften hingegen sind ausschliesslich durch die Atomhülle
(Elektronenschalen) bestimmt.
Somit ist es klar, dass sich C-14 chemisch genau gleich verhält wie C-12. C-14 oxidiert
also genauso zu CO2 wie C-12. Das CO2 verweilt im Mittel ca. 70 Jahre in der Atmosphäre,

sodass sich das C-14-haltige CO2 weltweit mit dem normalen CO2 vermischt. Die
laufende Produktion und der Zerfall von C-14-Isotopen führen im atmosphärischen
Kohlendioxid-Reservoir zu einem Gleichgewicht zwischen stabilen und radioaktiven
Kohlenstoffisotopen.
Über die Photosynthese gelangt der radioaktive Kohlenstoff wie der stabile Kohlenstoff
in alle Pflanzen und über die Nahrungskette in alle Lebewesen.
Man findet also (dank den Austauschmechanismen zwischen der Biosphäre und dem
atmosphärischen CO2-Reservoir) in allen lebenden Organismen das gleiche

---

Häufigkeitsverhältnis von C-14 zu C-12 wie in der Atmosphäre (auf Abweichungen von
diesem Sachverhalt kann hier nicht eingegangen werden).
Dieses Häufigkeitsverhältnis (Anzahl C-14 Atome/Anzahl C-12 Atome) wird kurz auch
Verhältnis von C-14 zu C-12 oder C-14-Konzentration genannt.
Die atmosphärische C-14-Konzentration kann für den Zeitraum der Menschheits-
geschichte als nahezu konstant betrachtet werden und beträgt ca. 1.2.10-12. Das heisst,
dass auf eine Billion C-12 Atome etwas mehr als ein C-14 Atom zu stehen kommt. (Ein
Vergleich: Gäbe es 250x mehr Menschen als heute, so wäre bei diesem Verhältnis genau
einer anders als alle andern!)
Mit dem Tod scheidet ein Lebewesen aus dem globalen CO2-Kreislauf aus. Von nun an

nimmt das Verhältnis zwischen C-14 und C-12 ab, da C-14 mit einer Halbwertszeit von
5730 Jahren zerfällt.
Durch Messung der aktuellen C-14-Konzentration in einer Probe (z.B. organisches
Material vom Ötzi) kann somit die Zeitspanne bestimmt werden, die seit dem
Ausscheiden des Organismus aus dem CO2-Kreislauf vergangen ist.

Bild 2: Produktion und Verteilung von C-14 in der Atmosphäre und der Biosphäre.

2.2 Die eigentliche Altersbestimmung
Wie wir bereits gelernt haben, beträgt die C-14-Konzentration in lebenden Organismen
1.2.10-12. Was können wir nun über das Alter einer Probe aussagen, wenn wir die C-14-
Konzentration bestimmen zu 6.10-13 ?
Wir stellen fest, dass nur noch halb soviel C-14 in der Probe enthalten ist wie in einem
lebendigen Organismus. Es ist also die Hälfte des ursprünglichen C-14 zerfallen. Damit
hat die Probe ein Alter von 5730 Jahren. (Dies ist die Definition der Halbwertszeit!)

Bild 3: Die C-14-Aktivität (Anzahl C-14-Zerfälle pro Sekunde) nimmt nach dem Absterben
des Organismus gemäss dem Zerfallsgesetz ab. Die C-14-Konzentration ist proportional
zur C-14-Aktivität ( A = [lambda] N)

Aufgabe A.3: Wie alt ist eine Probe, die eine 8-mal tiefere C-14-Konzentration enthält als

ein noch lebender Organismus?

Wie wir noch sehen werden, liegt momentan die tiefste noch nachweisbare C-14-

Konzentration bei ca. 10-15.

Aufgabe A.4: Was für ein Zeitbereich ist nun also mit der C-14-Methode zugänglich?

2.3 Eichungen und Korrekturen

Ob die C-14-Konzentration über die letzten Jahrtausende konstant gewesen war, konnte

anhand von Messungen an Baumringen überprüft werden.

Die sogenannte Dendrochronologie (Altersbestimmung anhand von Baumringen) kann

eine Abfolge von 50 -70 Baumringen genau datieren. Dies ist möglich, da für die gesamte

Zeit der letzten zehntausend Jahre viele konservierte Bäume gefunden wurden. Durch

Überlappungen der Strukturfolge (gute Jahre - schlechte Jahre) in den Baumringen der

verschiedenen Bäume konnte diesen ihr genaues Alter zugewiesen werden

(Rückwärtszählen der Baumringe).

Bestimmt man nun die C-14-Konzentration von Baumringen, deren Alter genau bekannt

ist, so lässt sich daraus das C-14/C-12-Verhältnis in der Atmosphäre zu der Zeit, als der

Baumring wuchs, bestimmen.

Die Messungen ergaben, dass vor 10000 Jahren die C-14-Konzentration ca. 10 % grösser

war als zu Beginn dieses Jahrhunderts und dann langsam abnahm. Vor rund 1000 Jahren

war die C-14-Konzentration relatv niedrig, stieg dann aber wieder leicht an. Diese

Schwankungen werden der sich ändernden Aktivität der Sonne zugeschrieben. Daraus

folgt nämlich eine Änderung der Intensität der auf die Erde auftreffenden kosmischen

Strahlung und somit der C-14-Produktion.

Mit Beginn der Industrialisierung vor ca. 300 Jahren wurde mit dem Verbrennen von

fossilen Brennstoffen (Kohle, Öl) begonnen. Da solche Verbrennungen viel Kohlen-stoff

freisetzen, aber der entsprechende Kohlenstoff kein C-14 mehr enthält (z.B. ist das C-14

---

in der Kohle längst schon zerfallen), sank die C-14-Konzentration nun wieder ab (ca. 3
%). All diese Schwankungen bewegen sich im Bereich von ca. 10%!

Bild 4: Änderung der atmosphärischen C-14-Konzentration in den letzten 10000 Jahren
(BC=Before Christ, AD=Anno Domini) bestimmt durch Messungen an Baumringen.
[Delta]C-14 bedeutet dabei die Abweichung der C-14-Konzentration von einem
Standardwert in Promille. Der Standardwert beträgt dabei 1.2.10-12 (Niklaus 1993).

Mit der Entdeckung der Atombombe und den darausfolgenden Atombombentests in den

letzten 50 Jahren, wurden künstlich viele radioaktive Isotope erzeugt. Auch zusätzliches

C-14 wurde nun in den CO2-Kreislauf gebracht. Dies führte zu einem immensen Anstieg

der C-14-Konzentration in der Atmosphäre. In den 60-er Jahren wurden dadurch doppelt
so grosse Werte der C-14-Konzentration gemessen wie vor den
Atombombenexperimenten. Wo läge dieser Wert in der obenstehenden Grafik?
Jawohl! Der Wert liegt weit über der Grafik. Das bedeutet auch, dass die C-14-
Konzentration sich in den letzten 50 Jahren fast 10-mal so stark verändert hat, wie in den
vorangegangenen 10000 Jahren.
Aufgabe A.5: Bei der Datierung einer mayanischen Schriftrolle wird eine C-14-
Konzentration von 1.5.10-12 gemessen. Was für ein Alter ordnen Sie diesem
archäologisch interessanten Fund zu?



3. Die Messmethoden
Wie bestimmt man eigentlich das Verhältnis zwischen C-14 und C-12?
3.1 Konventionelle C-14-Datierung
Eine Probe wird üblicherweise chemisch so aufbereitet, dass aus dem interessierenden
Objekt reiner Kohlenstoff gewonnen wird. Dieser Kohlenstoff wird dann zu Kohlendioxid
CO2 verbrannt. Das CO2 wird dann direkt in einen Geiger-Müller-Zähler eingefüllt. Die
beim [beta]-Zerfall des C-14-Kerns freiwerdende Energie ionisiert eine grosse Menge von
Gasmolekülen, die dann über die Hochspannungselektroden als elektrischer Puls
detektiert werden (vgl. Kap. 3.1).
Die Anzahl Pulse pro Zeiteinheit entspricht dann der C-14-Aktivität der Probe, d.h. man
bestimmt die Anzahl C-14-Zerfälle in der Probe während einer bestimmten Messzeit und
erhält daraus über die Zerfallskonstante die absolute Anzahl C-14-Isotope in der Probe:
Die Aktivität A einer Probe ist gegeben durch
A = [lambda]*N = -dN/dt.
Für C-14 ist:T1/2 = 5730 y

[lambda] = ln 2 / T1/2 = 1/8267 y-1

Eine moderne Probe aus 1 g Kohlenstoff enthält 6.1010 C-14-Atome (modern ist hier ein
Fachbegriff und bedeutet C-14/C-12 =1.2.10-12. D.h. modern entspricht der
atmosphärischen C-14-Konzentration, die vor den Atombombenexplosionen bestand,
höhere C-14-Konzentrationen, wie sie seither herrschen, werden als übermodern
bezeichnet). Multipliziert man die Anzahl C-14-Atome mit [lambda], so ergibt das eine
Aktivität von 13.8 Zerfällen pro Minute.
Aufgabe A.6: Wieviele Zerfälle pro Minute sind in einer Kohlenstoff-Probe der Masse 1
mg zu erwarten, wenn die Probe 57000 Jahre alt ist?
Umgekehrt kann man nun aus der Masse der Kohlenstoffprobe und der gemessenen
Zerfallszählrate das Verhältnis zwischen C-14 und C-12 bestimmen.
Um die Zerfallszählrate genau zu bestimmen, muss man nun aber möglichst viele Zerfälle
zählen.
Dies ist deshalb der Fall, da der radioaktive Zerfall ein statistischer Prozess ist, d.h. dass
mehrere eigentlich identische Messungen nicht immer dieselbe Anzahl Zerfälle ergeben.
Der statistische Fehler bei N gezählten Zerfällen ist dabei gegeben durch .

---

Die Schwankungen sind also so, dass man mit 100 gezählten Ereignissen einen Fehler
von 10 % in Kauf nehmen muss. Um einen Messfehler von 1 % zu erreichen, müssen
10000 Ereignisse erfasst werden.
Die konventionelle C-14-Datierung erfordert also wegen der langen Halbwertszeit von C-
14 und der sehr kleinen C-14-Konzentration lange Messzeiten und grosse
Probenmengen.
Mit der konventionellen C-14-Methode zählt man während einer bestimmten Zeit die
Anzahl radioaktiver Zerfälle in einer Kohlenstoffprobe mit bekannter Masse. Daraus
erhält man das C-14/C-12-Verhältnis und kann das Alter der Probe bestimmen. Leider
sind die Zerfälle so selten, dass diese Methode viel Geduld braucht.
3.2 Was ist ein Massenspektrometer?
Ein Massenspektrometer ist ein Gerät, das die Masse einzelner Atome oder Moleküle
sehr genau bestimmen kann. Dazu muss man aus der Probe ionisierte Atome oder
Moleküle gewinnen und diese anschliessend elektrostatisch beschleunigen. Dann kann
man durch magnetische Ablenkung die Masse dieser Ionen berechnen (Zentripetalkraft =
Lorentzkraft vgl. dazu Aufgabe 3.11 in Kapitel3).

Bild 5: schematischer Aufbau eines konventionellen magnetischen Massenspektro-
meters

Ionen erhält man z.B. dadurch, dass man die Probe bis zum Verdampfen erhitzt und den

Dampf mit Elektronen beschiesst.

Eine weitere Methode ist der Beschuss der Probe (in unserem Fall ein Stück Graphit) mit

einem Ionenstrahl: Dabei werden viele neutrale, aber auch einige geladene Teilchen aus

der Probe losgelöst.

Die Ionen werden anschliessend mit einer Spannung von einigen kV beschleunigt. Um

die Energie der Ionen genau festzulegen werden die Ionen in einem Elektrostaten

abgelenkt und durch eine Blende geführt. So erhält man einen Ionenstrahl, in dem alle

Ionen exakt dieselbe Energie haben. Darauf folgt eine magnetische Ablenkung. Dabei

erhält man die Masse des Teilchens aus seinem Bahnradius.

Leider ist es so, dass das C-14 so selten ist, dass die Zählraten der Moleküle 13CH und

12CH2 viel höher sind als die des C-14. Das hat zur Folge, dass das C-14-Signal in den
anderen Signalen untergeht!
Mit einem Massenspektrometer löst man Atome aus einer Probe heraus und bestimmt
deren Masse.
Grundsätzlich erscheint die Messmethode für die Bestimmung vom C-14/C-12- Verhältnis
also vielversprechend.
Moleküle mit Massenzahl 14 verunmöglichen aber den Nachweis von C-14, weil dieses
viel weniger häufig vorkommt.
3.3 Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS)
Wie ist es also möglich einzelne C-14-Atome unter Billionen von anderen
Kohlenstoffatomen effizient nachzuweisen?
Die Beschleuniger-Massenspektrometrie (engl. AMS = Accelerator Mass Spectrometry)
ist dafür am besten geeignet und wird nun erläutert.
Beachten Sie bitte in der Folge stets die Zeichnung der Zürcher AMS-Anlage!
Die zu untersuchende Kohlenstoffprobe wird mit Cs-Ionen beschossen (Cs = Cäsium).
Der Cs-Beschuss zeichnet sich dadurch aus, dass besonders viele losgelöste Teilchen
negativ geladen sind. Man erhält also einen recht grossen Anteil an negativen
Kohlenstoffionen.
Die negativen Ionen werden vor dem Niederenergie-Magneten mit einer Spannung von 40
kV beschleunigt.
Der Niederenergiemagnet bewirkt, dass verschieden schwere Ionen verschieden stark
abgelenkt werden. Damit sind neben den C-14-Ionen noch ionisierte Moleküle der Masse
14 im Ionenstrahl vorhanden (z.B. 12CH2)

---

Soweit entspricht die Anlage eigentlich einem normalen Massenspektrometer wie in
Abschnitt 3.2. Was nun noch folgt, dient hauptsächlich der Zerstörung von Molekülen,
die den C-14-Nachweis in gewöhnlichen Massenspektrometern verunmöglichen.
In der Mitte des eigentlichen Tandem-Beschleunigers liegt eine Spannung von 5.2 MV.
Die negativen Ionen werden also stark dahin beschleunigt. Dort treffen sie dann mit
hoher Energie auf eine Folie. Die Folie ist jedoch so dünn, dass die Teilchen sie fast ohne
Energieverlust durchdringen. Allerdings verlieren die Ionen einige Elektronen und
werden dadurch positiv geladen. Positiv geladene Ionen werden von der positiven
Spannung abgestossen und deshalb gleich nochmals beschleunigt.

Bild 6: AMS-Anlage der ETH Zürich

Wichtig ist, dass beim Durchdringen der Folie Moleküle in ihre Einzelatome geteilt
werden. Am Ausgang des Beschleunigers hat man also positiv geladene C-14-Ionen und
positiv geladene Fragmente ursprünglicher Molekülionen der Masse 14 (z.B. C-13, C-12,
H). Diese Fragmente haben beim Austritt aus dem Beschleuniger andere Energien und
andere Massen als die C-14-Ionen.
Durch eine elektrostatische und eine magnetische Ablenkung können diese Fragmente
nun leicht vom interessierenden C-14 getrennt werden.
Um nun das C-14/C-12-Verhältnis zu bestimmen, muss abwechselnd die C-14-Zählrate
und der C-12-Strom auf der Hochenergieseite gemessen werden.
Die AMS-Anlage der ETH-Zürich benötigt für die Altersbestimmung eine Probenmenge
von ca. 1 mg. Dies ist besonders bei sehr wertvollen Funden interessant, da die
Entnahme einer so kleinen Probe den Fund nicht schädigt.
Eine moderne Probe (C-14/C-12 = 1.2 . 10-12) liefert eine C-14-Zählrate von ca. 50 C-14-
Atomen pro Sekunde.
Aufgabe A.7:Wie lange muss man eine 11460 Jahre alte Probe in Zürich messen um eine
statistische Genauigkeit von 10% zu erreichen?
Wielange geht eine solche Messung mit der konventionellen Methode, wenn die
Probenmenge 1 mg Kohlenstoff beträgt?
Mit der Beschleuniger-Massenspektrometrie zählt man also direkt die radioaktiven
Mutteratome. Man wartet nicht wie bei der konventionellen C-14-Methode, bis die C-14-
Atome zerfallen, sondern man löst die C-14-Atome aus der Probe heraus und zählt sie im
Detektor. Gleichzeitig werden auch die herausgelösten C-12-Atome gezählt. Das C-14/C-
12-Verhältnis ist damit bestimmt.
3.4 Vergleich AMS - konventionelle C-14-Datierung
Zusammenfassend sollen nun nochmals die zwei Messmethoden mit ihren
Hauptmerkmalen gegenübergestellt werden:
Messung: Die konventionelle C-14-Methode misst die Anzahl Zerfälle von C-14 pro
Zeiteinheit und die exakte Masse der Probe. Die AMS-Methode bestimmt direkt den Anteil
an C-14-Atomen in einer Kohlenstoffprobe.
Probenmenge: Die Probenmenge für eine AMS-Messung muss mindestens 0.5 mg
Kohlenstoff betragen, mehr ist nicht notwendig. Bei der konventionellen C-14-Datierung
dagegen ist die Probenmenge proportional zur Aktivität. Das bedeutet, dass die Messzeit
für dieselbe Genauigkeit umso kleiner wird, je grösser die Probenmenge ist. Die
Zählrohre sind jedoch nicht für Probenmengen über 10 g ausgelegt.
Messzeit: Die übliche Messzeit bei AMS ist kürzer als eine halbe Stunde. Bei der
konventionellen Methode dauert eine Messung üblicherweise einige Tage bis Wochen.
Präzision: Die erreichbare Präzision beträgt bei beiden Methoden 0.2 -0.5 %.
Altersbereich: Beide Methoden können das Alter von bis zu 50000 Jahre alten Proben
bestimmen.
4. Das Messresultat
Wie wir gesehen haben, misst man mit der AMS-Methode direkt das C-14/C-12-Verhältnis.
Mit der konventionellen C-14-Methode bestimmt man die C-14-Aktivität (Anzahl Zerfälle
pro Zeiteinheit). Kennt man dazu noch die Masse der Kohlenstoffprobe, so erhält man
damit leicht das C-14/C-12-Verhältnis.

---

Dieses Verhältnis hat, da es ein Messwert ist, nur beschränkte Genauigkeit. Damit kann
auch das wahre Alter (oder Kalenderalter), das daraus bestimmt wird, nur als
Altersbereich angegeben werden.
Wie man vom C-14/C-12-Verhältnis zum Kalenderalter kommt, soll noch kurz erläutert
werden:
Das C-14/C-12-Verhältnis wird durch eine standardisierte Umrechnung in ein
sogenanntes Radiokarbon-Alter umgewandelt. Das Radiokarbon-Alter ist also ein
anderes Mass für die C-14-Konzentration und hat ebenfalls einen gewissen Fehler
(Messfehler müssen bei Umrechnungen immer mitberücksichtigt werden!).
Gemessene Baumringe, deren Alter bekannt ist, erlauben eine Zuordnung des
Radiokarbon-Alters zu einem wahren Alter.
Man muss also bei einer Probe das C-14/C-12-Verhältnis messen, diesen Wert in das
Radiokarbon-Alter umrechnen und schauen welche Baumringe dasselbe Radiokarbon-
Alter haben. Das wahre Alter dieser Baumringe ist dann auch das wahre Alter der Probe!
Aufgrund der zeitlichen Schwankungen der C-14-Konzentration in der Atmosphäre ist es
leider möglich, dass z.B. 2 verschieden alte Baumringe das gleiche Radiokarbon-Alter
haben. Hat eine gemessene Probe eben dieses Radiokarbon-Alter, so ist eine eindeutige
Alterszuordnung nicht mehr möglich. Es kommen die zwei verschiedenen Alter dieser
Baumringe für das Alter der Probe in Frage.
In Bild 7 ist die Altersbestimmung vom Ötzi dargestellt. Die oben diskutierte
Vorgehensweise soll daran veranschaulicht werden:
Die gemessene C-14-Konzentration von Kohlenstoff-Proben vom Ötzi ergeben ein
Radiokarbon-Alter von 4546 Jahren (horizontale Linie im oberen Bild). Der Messfehler
lässt nun einen ganzen Bereich im Radiokarbon-Alter als möglich zu (obere und untere
horizontale Linie). Man sucht nun die Baumringe mit entsprechendem Radiokarbon-Alter
(Zick-Zack-Linie ebenfalls mit Fehlerbalken). An den Schnittpunkten des Radiokarbon-
Alters der Probe (mit Messfehler) mit der Zick-Zack-Linie der Baumringe (mit Messfehler)
liegt das mögliche Alter der Probe (horizontale Achse). In 3 Zeitbereichen überlappt das
Radiokarbon-Alter mit den Baumringwerten. Es sind also 3 Zeitbereiche für das Alter
vom Ötzi möglich. Durch detailierte Rechnungen sind die Wahrscheinlichkeiten für die
verschiedenen Alterswerte vom Ötzi bestimmbar (unteres Bild). Hier muss man sich
offensichtlich mit der Aussage begnügen, dass der Ötzi ein Alter zwischen 5400 und
5100 Jahren hat.

Bild 7: Die Messung des C-14/C12-Verhältnisses beim Ötzi und das daraus folgende
Radiokarbonalter ergeben durch den Vergleich mit den Baumringwerten drei mögliche
Zeitbereiche für das wahre Alter vom Ötzi. Die drei Zeitbereiche sind ähnlich
wahrscheinlich, sodass man sich mit der Aussage begnügen muss, dass der Ötzi
zwischen 5400 und 5100 Jahre alt ist. (Prinoth-Fornwagner, Niklaus 1994)

5. Ein Beispiel: Der Bundesbrief

An der ETH wurde anlässlich der 700-Jahr-Feier der Eidgenossenschaft der Bundesbrief
datiert. Ob die Feier berechtigt war, lesen Sie im folgenden Artikel von W. Wölfli und G.
Bonani. Dieser Artikel ist im Original-Wortlaut wiedergegeben. Er wurde aus den
Mitteilungen des Historischen Vereins des Kantons Schwyz entnommen (Heft 84, 1992).
Wir danken den Autoren und dem Historischen Verein des Kantons Schwyz für die
Druckerlaubnis.

Datierung des Bundesbriefes mit der Radiokarbonmethode
1. Einleitung
Der auf anfangs August 1291 datierte Bundesbrief ist, gemessen an seiner Bedeutung,
ein eher unscheinbares Pergamentblatt von 320x200 mm Umfang. Es umfasst 17
Schriftzeilen und bildet, umgeben von verschiedenen später verfassten Bundesbriefen,
das zentrale Ausstellungsobjekt im Saal des Bundesbriefarchivs zu Schwyz1. 1760

---

wurden erstmals der lateinische Text und die deutsche Uebersetzung im Druck
herausgegeben. Wo und von wem der Bundesbrief geschrieben wurde, ist heute nicht
mehr auszumachen. Auf Grund verschiedener paläographischer und textlicher Merkmale
sind neuerdings einige Historiker zum Schluss gelangt, dass dieses Dokument
möglicherweise gar nicht 1291, sondern erst viel später, im 15. Jahrhundert,
geschrieben, aber mit dem Datum des Ereignisses und nicht mit dem des Schreibens
versehen wurde.
Ausgelöst durch diese Kontroverse entstand der Wunsch, das Alter des Pergaments mit
Hilfe der Radiokarbonmethode zu überprüfen. Im folgenden wird zuerst das Prinzip
dieser Altersbestimmungsmethode beschrieben. Anschliessend werden die
Probennahme, Probenaufbereitung und das Resultat dieser Untersuchung beschrieben
und diskutiert.
2. Die Radiokarbonmethode
Die in den Jahren 1946/47 von Libby und seinen Mitarbeitern entwickelte Radiokarbon-
oder C-14-Methode nützt die Tatsache aus, dass in der oberen Atmosphäre unserer Erde
durch Reaktionen von Sekundärneutronen der kosmischen Strahlung mit Stickstoff
laufend das langlebige radioaktive Kohlenstoffisotop C-14 produziert wird. Zusammen
mit den dort schon vorhandenen stabilen Kohlenstoffisotopen C-12 (99% Häufigkeit) und
C-13 (1% Häufigkeit) gelangt es über den CO2-Kreislauf und die Nahrungskette in alle

lebenden Organismen.
Das eingelagerte und langsam zerfallende C-14 wird durch den Stoffwechsel laufend
ersetzt, d.h. die C-14-Konzentration bleibt konstant, solange der Organismus lebt. Sie
entspricht, wenn man von biologischen Fraktionierungseffekten absieht, dem jeweiligen
atmosphärischen Wert. Mit dem Tod hört der Austausch mit der Umwelt auf. Ab diesem
Zeitpunkt nimmt die C-14-Konzentration mit fortschreitender Zeit mit bekannter Rate ab.
Durch Messung der in einer Probe noch vorhandenen C-14-Konzentration kann somit
das Todesjahr von allen Lebewesen bestimmt werden.
Die C-14-Konzentration in organischen Proben kann auf zwei Arten bestimmt werden,
entweder durch Messung der spezifischen Aktivität oder durch die Messung des C-14/C-
12-Isotopenverhältnisses. Beide Grössen werden stets relativ zum Wert einer
Standardprobe ermittelt. Dieser sogenannte NBS-Standard hat eine spezifische Aktivität
von 14 Zerfällen pro Minute und Gramm Kohlenstoff, was einem Isotopenverhältnis von
ziemlich genau C-14/C-12=10-12 entspricht. Gemäss einer internationalen Vereinbarung
wird zur Berechnung des Alters immer noch die alte, von Libby bestimmte Halbwertszeit
von 5568 Jahren und nicht der inzwischen genauer bestimmte Wert von 5730+/-40 Jahren
benützt. Die so gewonnene Grösse wird als konventionelles C-14-Alter bezeichnet und in
Jahren BP (before present) angegeben, wobei 1950 AD (Anno Domini) als Bezugsjahr
genommen wird.
Das Problem der Radiokarbonmethode liegt in der Forderung, dass die in der Natur
vorkommenden, äusserst geringen spezifischen Aktivitäten bzw. Isotopenverhältnisse
mit extrem hoher Genauigkeit gemessen werden müssen. Ein Messfehler von 1% führt,
umgerechnet auf das Alter, zu einer Unsicherheit von plus/minus 83 Jahren, wobei die
Wahrscheinlichkeit, das konventionelle C-14-Alter in diesem Streubereich, dem
sogenannten ein Sigma (1)Fehler, zu finden, bloss 68% beträgt.
Apparativ am einfachsten ist die Messung der Aktivität einer Probe, weil dazu lediglich
ein gut abgeschirmtes Geiger-Müller-Zählrohr oder ein Szintillationszähler benötigt wird.
Diese von Libby eingeführte Messtechnik hat aber den Nachteil, dass für eine
einwandfreie Datierung viel Material, mindestens einige Gramm Kohlenstoff, benötigt
wird und erst noch lange Messzeiten in der Grössenordnung von Tagen, wenn nicht
Wochen, in Kauf genommen werden müssen. Mit der 1977 entdeckten
Beschleunigermassenspektrometrie-Methode (AMS, Abkürzung für Accelerator Mass
Spectrometry) entfielen diese Einschränkungen, weil hier nicht auf den seltenen
radioaktiven Zerfall gewartet wird, sondern die in einer Probe vorhandenen C-14-Atome
mit hoher Effizienz einzeln gezählt werden. Das ist allerdings nur mit einem erheblichen
instrumentellen Aufwand möglich. Anstelle eines einfachen Teilchenzählers wird eine
speziell für diese Aufgabe ausgerüstete Teilchenbeschleunigeranlage benötigt. Dieser

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Nachteil wird aber kompensiert durch die Tatsache, dass auf diese Weise Proben von
wenigen Milligramm Kohlenstoff innerhalb von wenigen Minuten mit hoher Präzision
datiert werden können. Die Reduktion der Probenmengen um drei und die Verkürzung
der Messzeiten um zwei bis drei Grössenordnungen eröffnete der C-14-Methode ein
breites Spektrum neuer Anwendungsmöglichkeiten, die von praktisch zerstörungsfreien
Altersbestimmungen historisch und archäologisch wichtiger Objekte über die Messung
der Sonnenaktivitäten bis hin zur Entschlüsselung der Klimageschichte unserer Erde
reichen. Eine ausführliche Beschreibung des Prinzips der AMS-Methode und ihrer
vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten findet man in der Fachliteratur2.
3. Probennahme, Probenaufbereitung, Messung und Resultate
Die Probennahme fand am 5. Juni 1991 im Bundesbriefarchiv in Schwyz statt (Fig. 1). Ein
ca. 15 mm breiter Streifen (Plica) des unteren, unbeschriebenen Endes des Bundesbriefs
ist umgelegt und im Bereich der übereinanderliegenden Teile durchgehend an drei
Stellen so geschlitzt, dass Bänder durchgezogen und die drei Siegel (dasjenige von
Schwyz fehlt heute) daran befestigt werden konnten. Durch eine kaum wahrnehmbare
Verbreiterung der durch die Plica verdeckten Schlitze konnten drei Kleinstproben im
Gesamtgewicht von 12.1 Milligramm entnommen werden, ohne die äussere Erscheinung
des Dokumentes im geringsten zu beeinträchtigen. Die Proben wurden fotographiert,
gewogen und anschliessend im Labor mechanisch mit Ultraschall und chemisch
schrittweise, zuerst im Säurebad (HCl), dann mit Lauge (NaOH) und schliesslich
nochmals mit Säure gereinigt, um allfällige Kontaminationen mit Huminsäure und/oder
Karbonaten zu eliminieren. Jede Teilprobe wurde im Vakuum zu CO2 oxydiert und

schliesslich mit Hilfe einer katalytischen Reaktion an Kobalt zu graphitähnlichem
Kohlenstoff reduziert. Sie

Abbildung 1: Probennahme im Bundesbriefarchiv am 5. Juni 1991, Prof. Dr. Willy Woelfli
(links) und Dr. Georges Bonani (rechts).
wurden im Rahmen einer im Mittel alle vier Wochen stattfindenden C-14-Messperiode,
zusammen mit weiteren 120 Proben (inkl. Standards, d. h. Material mit einer bekannten C-
14-Konzentration, und Blanks, d.h. Material ohne C-14) datiert. Von jeder Probe wurden
die C-14/C-12- und C-13/C-12-Isotopenverhältnisse relativ zu den entsprechenden
Standardwerten bestimmt. Beide Werte können mit der von uns angewendeten
Messtechnik an derselben Probe gleichzeitig bestimmt werden. Die relative Abweichung
des gemessenen C-13-Werts in % von demjenigen des C-13-Standards (C-13 = 0%) gibt
Aufschluss über die Grösse allfälliger biologischer und physikalischer
Fraktionierungseffekte und muss bei der Berechnung des konventionellen C-14-Alters
berücksichtigt werden3. Für die drei vom Bundesbrief stammenden Teilproben wurden
die in der folgenden Tabelle zusammengestellten Resultate ermittelt:

Probenlabel

Konvent. C-14-Alter (yr BP)

C-13 (%)

Lab. Nr.

ETH-7804-1

BB-1

706+/-47

-20.5+/-1.4

ETH-7804-2

BB-2

683+/-45

-18.3+/-1.0

ETH-7804-3

BB-3

714+/-45

-21.7+/-1.0

Die gewichtete Mittelung dieser drei unabhängigen Messresultate liefert für das
konventionelle C-14-Alter des Bundesbriefpergaments einen Wert von 700+/-35 Jahren
BP. Obwohl das konventionelle C-14-Alter zufälligerweise genau dem erwarteten Alter
entspricht, ist dies noch nicht das Endresultat, weil noch zwei wichtige Korrekturen
angebracht werden müssen, die sich im vorliegenden Fall aber glücklicherweise fast

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vollständig kompensieren. Die erste Korrektur betrifft, wie bereits erwähnt, die zur
Berechnung des konventionellen Alters benützte "Libby"-Halbwertszeit von 5568 Jahren.
Sie muss durch den genaueren Wert von 5730 Jahren ersetzt werden. Diese Korrektur
vergrössert das Probenalter um rund 3%. Die zweite Korrektur berücksichtigt die
Tatsache, dass das C-14-Inventar in der Atmosphäre nicht wie bei der Berechnung des
konventionellen Alters zunächst angenommen wird, über alle Zeiten konstant gewesen
war. Auf Grund von sehr sorgfältigen und hochpräzisen Messungen der C-14-
Konzentrationen im Holz von langlebigen amerikanischen Borstenkiefern und
europäischen Eichen, deren Jahrringsequenzen bisher lückenlos über die letzten 10′000
Jahre aneinandergereiht werden konnten, wissen wir, dass die C-14-Produktion in
diesem Zeitraum erheblich, und zwar sowohl kurzzeitig wie auch im Langzeittrend von
dem dem Basisjahr 1950 zugeordneten Wert abweicht. Im 13. Jahrhundert lag die C-14-
Produktionsrate etwas tiefer als 1950, d.h. die Berücksichtigung dieses Effekts
"verjüngt" das Probenalter. Für die mathematisch nicht ganz triviale Umwandlung des
konventionellen C-14-Alters, unter Berücksichtigung des durch eine Gaussverteilung
charakterisierten Messfehlers, in das entsprechende Kalenderalter stehen
Rechenprogramme zur Verfügung4. Das Resultat dieser Transformation ist in Fig. 2
dargestellt. Die obere Hälfte zeigt den nichtlinearen Zusammenhang zwischen dem
konventionellen C-14-Alter und dem Kalenderalter als Folge der zeitlich vaarierenden
Produktionsschwankungen in dem hier interessierenden Bereich. Die drei horizontalen
Linien markieren das experimentell ermittelte konventionelle C-14-Alter mit dem
zugehörigen 1-Fehlerbereich. In der unteren Hälfte der Figur ist die resultierende
Wahrscheinlichkeitsverteilung für den entsprechenden wahren Altersbereich unter
Berücksichtigung der Produktionsschwankungen dargestellt. Der dunkel schraffierte
Bereich entspricht dem 1-Fehlerbereich und sagt aus, dass das gesuchte Alter mit einer
Wahrscheinlichkeit von rund 68% irgendwo zwischen den Grenzen dieses Bereichs
liegen muss, d.h. zwischen 1265 AD und 1295 AD. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 32%
kann das wahre Alter auch ausserhalb liegen, allerdings nicht beliebig weit vom
Mittelwert entfernt. Verdoppelt man nämlich den 1-Fehlerum einen Faktor 2, d.h. auf 2
,dann erhöht sich die Wahrscheinlichkeit auf 95%, das wahre Alter imentsprechend
erweiterten Bereich zu finden. Dieser Bereich ist in der Figur durch seine einfache
Schraffur erkennbar. Als Folge des nichtlinearen Zusammenhangs zwischem dem
konventionellen C-14-Alter und dem wahren Alter wird im vorliegenden Fall der erlaubte
Altersbereich nicht einfach nur vergrössert, sondern sogar in zwei getrennte Bereich
aufgetrennt. Das Integral über beide Bereiche liefert die Wahrscheinlichkeit, das wahre
Alter in einem dieser Bereiche zu finden mit folgendem Ergebnis: Mit einer
Wahrscheinlichkeit von 85% liegt das wahre Alter zwischen 1252 und 1312 AD. Mit einer
Wahrscheinlichkeit von 15% könnte es aber auch irgendwo zwischen 1352 und 1385 AD
liegen.
4. Schlussfolgerungen
Die Altersbestimmung des Bundesbriefpergaments hat zwei mögliche Zeitbereiche
ergeben, wobei das angegebene Datum 1291 innerhalb des älteren und auch wesentlich
wahrscheinlicheren Zeitbereichs liegt. Die Vermutung, dass der Brief erst im 15.
Jahrhundert geschrieben wurde, kann auf Grund der vorliegenden Messungen mit
Sicherheit ausgeschlossen werden. Die Möglichkeit, dass der Brief erst in der zweiten
Hälfte des 14. Jahrhunderts geschrieben wurde, kann zwar nicht völlig ausgeschlossen
werden, ist aber nicht nur aus methodischen, sondern auch aus historischen Gründen
wenig wahrscheinlich. In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, dass der vorliegende
Test nur eine Aussage über das Alter des Pergaments und nicht über den Zeitpunkt des
Schreibens liefert. Es ist aber wiederum sehr unwahrscheinlich, dass ein Pergament
präpariert und dann viele Jahre unbeschrieben liegen blieb. Aus dem Altertum ist
hingegen bekannt, dass Schriftrollen über längere Zeiträume mehrmals benützt wurden.
Solche Palimpsets können heute mit einem Infrarottest leicht identifiziert werden. Es
wäre angebracht, mit Hilfe eines solchen Tests diese Möglichkeit auch im Fall des
Bundesbriefs auszuschliessen.
5. Verdankungen

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Die vorliegenden Arbeit wurde von Peter Lippuner, Redaktionsleiter Naturwissenschaft,
Technik und Medizin, und Hans-Peter Sigrist, Redaktor Menschen, Technik,
Wissenschaft des Schweizer Fernsehens DRS, initiiert und organisiert. Die Probennahme
ermöglichten Franz Auf der Maur, Archivadjunkt, und Erwin Horat, Archivar am
Staatsarchiv Schwyz. Irka Hajdas war verantwortlich für die Probenaufbereitung. Wir
danken allen Beteiligten für ihren Einsatz und die erfreuliche Zusammenarbeit.

Abbildung 2: Transformation des experimentell bestimmten C-14-Alters in dem
entsprechenden wahren Altersbereich unter Berücksichtigung des Messfehlers. Die
obere Hälfte zeigt den nichtlinearen Zusammenhang zwischen dem konventionellen C-
14-Alter und dem Kalenderalter im hier interessierenden Bereich. Die drei horizontalen
Linien markieren das gemessene C-14-Alter mit zugehörigem 1-Fehler. In der unteren
Hälfte ist die resultierende Wahrscheinlichkeitsverteilung für den wahren Altersbereich in
Form eines Histogramms dargestellt, und zwar für die beiden am häufigsten verwendeten
Fehlergrenzen. Der 1 -Bereichist schwarz markiert und bedeutet, dass das gesuchte
wahre Alter mit einerWahrscheinlichkeit von 68% innerhalb dieses Bereichs liegt. Durch
Verdoppelungdes Fehlers (2-Fehler) vergrössert sich die Unsicherheit um den
gestrichelten Bereich. Dafür steigt die Wahrscheinlichkeit auf 95%, das wahre Alter
innerhalb der beiden Bereiche zu finden. Der wahrscheinlichste Wert liegt um 1280 AD
herum.

Einleitung

Seit der Entdeckung der 14C-Uhr wurde die Datierung und damit die

Absolutchronologie der Urgeschichte der Welt ziemlich stark verändert.

Renfrew (1973) nannte es die "

radiocarbon revolution

". Die Datierung mit

14C war eine der bedeutendsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts.

Die Radiocarbon-Methode wurde von einem Team um Prof. Willard F.

Libby von der Universität Chikago unmittelbar nach dem zweiten Weltkrieg

entwickelt. Libby erhielt dafür 1960 den Nobelpreis für Chemie "

für seine
Methode, um Carbon-14 für Altersbestimmungen in Archäologie, Geologie,
Geophysik und anderen Wissenschaften zu nützen

". Nach einem der

Wissenschaftler (Taylor 1987), die Libby für den Nobelpreis nominierten

"

hat selten eine einzige Entdeckung in der Chemie so großen Einfluß auf
das Denken in so vielen Bereichen der menschlichen Entwicklung
genommen. Selten hat eine einzige Entdeckung so weites öffentliches
Interesse erfahren.

"

Heute arbeiten über 130 14C-Labors auf der ganzen Welt. Die 14C-Technik

wurde und wird in vielen verschiedenen Wissenschaftsbereichen

verwendet, unter anderen in der Hydrologie, Wissenschaft von der

Atmosphäre, Ozeanographie, Geologie, Paläoklimatologie,

Archäologie

und Biomedizin.

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Die Grundlagen der 14C-Methode

In der Natur kommt Kohlenstoff in Form von 3 Isotopen vor - 12C, 13C , die

beide stabil sind, und 14C, das instabil oder radioaktiv ist. Diese Isotopen

kommen in der Natur in unterschiedlichen Mengen vor: 12C = 98.89%, 13C =

1.11% und 14C = 0.0000000001%. Somit kommt ein 14C-Atom in der Natur

auf

1.000.000.000.000

12C-Atome. Die Radiocarbon-Methode basiert auf

der Zerfallsrate des radioaktiven 14C, das in der oberen Atmosphäre durch

den Einfluß von Neutronen in der Höhenstrahlung auf 14N (Stickstoff)

gebildet wird. Die Reaktionsgleichung sieht folgendermaßen aus:

14N + n
=> 14C + p

(n bedeutet ein Neutron und p ein Proton)

Das so gebildete 14C wird schnell zu 14CO2 oxidiert und tritt in den

Lebenszyklus der Pflanzen durch Photosynthese und der Tiere durch die

Nahrungskette ein. Die Schnelligkeit der gleichmäßigen Verteilung konnte

besonders nach den in der Atmosphäre durchgeführten

Atombombenversuchen demonstriert werden. Pflanzen und Tiere nehmen

während ihres Lebens 14C auf und stehen damit im physikalischen

Gleichgewicht mit der Atmosphäre, das bedeutet, daß das Verhältnis von

stabilem zu instabilem Kohlenstoff annähernd gleichbleibt. Sobald Pflanze

oder Tier sterben, wird kein weiterer Kohlenstoff aufgenommen und auch

kein weiterer radioaktiver Kohlenstoff, der bereits aufgenommene zerfällt

nun stetig. Libby, Anderson und Arnold (1949) entdeckten, daß dieser

Zerfall in einer konstanten Rate erfolgt. Sie fanden heraus, daß nach 5568

Jahren die Hälfte des 14C der ursprünglichen Probe zerfallen und daß nach

weiteren 5568 Jahren nur mehr ein Viertel vorhanden sein wird. Diese

5568 Jahre bezeichnet man als Halbwertszeit (5568 ± 30). Nach zehn

Halbwertszeiten ist der Gehalt von 14C bereits sehr gering geworden. Somit

sind Datierungen von Proben mit einem Alter über 50000 Jahren kaum

mehr durchführbar.

Mißt man nun die radioaktiven Zerfälle in einer Probe und vergleicht die

Aktivität mit einer Probe von heute (dazu nimmt man Holz von 1890,

dessen Aktivität für 1950 korrigiert wurde), so kann man daraus das Alter

der Probe - also den Todeszeitpunkt des Lebewesens - bestimmen.

Der Zerfall von 14C erfolgt nach folgender Gleichung.

14C => 14N + ®

(® ist

dabei ein Beta-Teilchen oder Elektron)

Da die Anzahl der produzierten Beta-Partikel genau der Zahl der

zerfallenden 14C-Atome entspricht, kann man ihre Zählung dazu

heranziehen, auf die 14C-Konzentration in der Probe zurückzuschließen.

Diese Messung der zerfallenden 14C-Atome hat mehrere Nachteile:

· Es werden große Probenmengen benötigt (mehrere 100g

Kohlenstoff).

· Die Meßzeiten dauern oft für eine Probe über eine Woche.

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Bei Verwendung einer modernen AMS (

A

ccelerator

M

ass

S

pectroscopy)-

Anlage wird nicht der Zerfall gemessen sondern die Gesamtzahl von 14C-

Atomen in der Probe gleich im Verhältnis zu 12C und 13C.

Die Vorteil dieser Methode sind:

· kleine Probemengen im 1-10 mg Bereich

· Die Meßzeiten liegen im Bereich von einer halben bis ganzen

Stunde.

Kalibration

Man hat viel später, als Libby seine Methode entwickelte, vor allem durch

Datierung der Jahresringe der bis zu 7000 Jahre alten Borstenzapfkiefern

bemerkt, daß die von ihm ursprünglich getroffene (und rein willkürliche)

Annahme, daß die 14C Konzentration im Lauf der Zeit konstant geblieben

ist, nicht zutrifft. Das 14C-Alter war vor allem für mehr als 2000 Jahre alte

Jahresringe (durch Abzählen absolut datiert) deutlich zu gering. Im

allgemeinen kann man sagen, daß das 14C-Alter - je älter die Proben sind -

um so stärker zu gering bestimmt wird. Also hat man nach einer

Möglichkeit zur rein mathematischen Kalibration gesucht.

Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden mehrere - immer genauere -

Kalibrationskurven ermittelt, die es einem nun unter Verwendung von

Kalibrationsprogrammen ermöglichen, aus dem unkalibrierten 14C-Datum

ein kalibriertes zu erhalten. Proben mit einem konventionellen 14C-Datum

6500 B(efore) P(resent), also 4550 vor Chr., werden durch die Kalibration

um bis zu 800-1000 Jahre älter. Leider enthalten die Kalibrationskurven

zahlreiche wiggles, also mehrdeutige Stellen, weshalb im ungünstigen Fall

das Datierungsintervall wesentlich höher werden kann, als das beim

konventionellen Datum der Fall ist.

Im Internet kann man derzeit zwei Programme zur Kalibration erhalten.

OxCal (derzeit Version 2.18) von Ch. Ramsey, einem Mathematiker, der in

Oxford arbeitet, entwickelt. Es ist dabei das derzeit am weitesten

fortgeschrittene Programm und gleichzeitig am benutzerfreundlichsten.

Probenvorbehandlung

Bei der Analyse von Knochen kann nicht das Knochencarbonat zur

Datierung genommen werden, weil die Möglichkeit eines späteren

Austausches mit der Umwelt besteht. Deshalb ist es üblich, das Kollagen

(ein Eiweiß) zu extrahieren. Um die Möglichkeit einer Kontamination dieses

Kollagens durch andere Substanzen einzuengen, werden in letzter Zeit vor

allem in Oxford Versuche gemacht, das Kollagen in seine Aminosäuren

aufzuspalten und nur die Aminosäuren für die 14C-Bestimmung zu

verwenden, die für Knochenkollagen charakteristisch sind, wie z.B.

Hydroxyprolin. In diesem Projekt könnten wir versuchen, mithilfe einer

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HPLC-Analyse (

H

igh

P

ressure

L

iquid

C

hromatography) diese Auftrennung

durchzuführen.

14C Projekt

Durch den glücklichen Umstand, daß von Herrn Prof. Walter Kutschera am

Institut für Radiumchemie und Kernphysik der Universität Wien eine AMS-

Anlage installiert worden ist, sahen wir uns veranlaßt, gemeinsam mit Prof.

Herwig Friesinger vom Institut für Ur- und Frühgeschichte ein Projekt zur

Abslutchronologie früher Kulturen in Österreich und Mitteleuropa unter

Benutzung dieser AMS Anlage einzureichen. Dieses Projekt wurde im

Frühjahr 1997 vom FWF ungekürzt bewilligt, Projektbeginn war der 1. Juli

1997.

Im Rahmen dieses Projekts sollen neben den bereits erfolgten ca. 400

Analysen aus Österreich weitere 1000 Analysen innerhalb der nächsten 3

Jahre durchgeführt werden.

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