Kohlenstoff ist ein auf der Erde weit verbreitetes Element. Es bildet zahlreiche Verbindungen, vor allem mit Wasserstoff und Sauerstoff. Es sind drei Isotope des Kohlenstoffs bekannt: 12C, 13C und 14C. Letzteres wird wegen seiner radioaktiven Eigenschaften gemeinhin als Radiokarbon bezeichnet. Seine wichtigste Anwendung ist die Bestimmung des Alters von geologischen Formationen und archäologischen Objekten. Darüber hinaus wird Radiokohlenstoff zur Untersuchung von Umweltveränderungen verwendet.
Radioaktivität des Kohlenstoffisotops 14C
Isotope sind eine Ansammlung von Atomen desselben Elements, die die gleiche Ordnungszahl haben, weisen aber verschiedene Massenzahlen auf Die große Mehrheit der natürlich vorkommenden Elemente hat mehr als ein Isotop. Ihre Eigenschaften können sehr unterschiedlich sein. Auch die prozentualen Anteile der einzelnen Isotope unterscheiden sich erheblich voneinander.
Elementarer Kohlenstoff besitzt drei Isotope: 14C, 13C und 12C. 12C ist mit über 98 % am weitesten verbreitet. 13C ist in der Natur viel seltener anzutreffen. Das radioaktive Kohlenstoffisotop 14C hingegen kommt auf der Erde in der geringsten Menge vor. Seine Quelle sind die Kernreaktionen von thermischen Neutronen (kosmischen Ursprungs) mit Stickstoffkernen. Sie finden in der Stratosphäre statt. Das Kohlenstoffisotop 14C unterliegt einem spontanen Zerfall. Infolge des Beta-Zerfalls entstehen: der nicht-radioaktive Stickstoff 14N, ein Elektron und ein Antineutrino. Mit der Zeit nimmt der Gehalt an radioaktiven Isotopen 14C in dem Material ab. Auch die Intensität der von ihnen ausgehenden Strahlung nimmt ab. Die Zeit, nach der sich der radioaktive Kohlenstoffgehalt halbiert, wird als Halbwertszeit bezeichnet (charakteristisch für radioaktive Elemente). Für das Kohlenstoffisotop 14C sind es 5730 Jahre. Nach dieser Zeit bleibt also die Hälfte von einer Portion radioaktivem 14C übrig.
Radiokarbondatierung
Ein beträchtlicher Teil des Kohlenstoffisotops 14C, das in der Atmosphäre angesammelt ist, wird in die Form 14CO oxidiert. Wenn diese Form mit dem Hydroxylradikal (OH) reagiert, wird sie weiter zu 14CO2 oxidiert. Kohlendioxid, 14CO2, gelangt wiederum aus der Atmosphäre in die Biosphäre und Hydrosphäre (z. B. durch Diffusion, Auflösung, Photosynthese). Radiokarbon 14C ist in vielen organischen Verbindungen enthalten. Es wird in Pflanzen assimiliert oder im Meerwasser aufgelöst. Die Konzentration des Isotops 14C in der Atmosphäre ist um ein Vielfaches höher als z.B. in den Tiefen der Ozeane. Dadurch wird es zu einem natürlichen Radioindikator. Mit seiner Hilfe lassen sich die Veränderungen in der Umwelt verfolgen.
Eine der wichtigsten Anwendungen des 14C-Isotops ist die so genannte Radiokohlenstoffdatierung. Kohlendioxid, das radioaktives 14C enthält, durchdringt alle Lebewesen – Pflanzen und Tiere. Organismen nehmen am Austauschzyklus von Radiokohlenstoff mit der Biosphäre teil. Zu diesem Zeitpunkt ist der 14C-Isotopengehalt konstant. Dies ändert sich mit dem Tod des Organismus. Wenn ein Organismus stirbt, nimmt er keinen Kohlenstoff 14C mehr auf, so dass sein Gehalt stetig abnimmt. Das Verschwinden dieses Isotops erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die durch sein Zerfallsgesetz bestimmt wird (der Zerfall von 14C-Atomen im Laufe der Zeit hat die Form einer Exponentialfunktion). Die zitierte Annahme ist zur Grundlage für die Altersbestimmung archäologischer Funde geworden, die als Radiokohlenstoffdatierung (oder die Methode des radioaktiven Kohlenstoffs) bezeichnet wird. Durch den Vergleich der Verhältnisse von 14C und 12C in abgestorbener organischer Materie und in der Atmosphäre kann das Radiokohlenstoffalter (der Zeitraum zwischen dem Tod eines Organismus und seiner Messung) bestimmt werden. Das herkömmliche Radiokohlenstoffalter wird durch den Vergleich des Gehalts der beiden genannten Kohlenstoffisotope in der Probe und im Standard der modernen Biosphäre bestimmt.
AMS-Technik zur Messung der Radiokarbonkonzentration 14C
Die Messung des Gehalts an radioaktivem Kohlenstoff 14C in einem Material ist kompliziert und erfordert spezielle Geräte, was das ganze Verfahren teuer macht. Die Teilchenbeschleunigungstechnik AMS macht sich die Tatsache zunutze, dass 14C etwas schwerer ist als 12C (etwa 1,17-mal). Parallel dazu wird auch der Gehalt an 13C gemessen. Bei der AMS-Technik werden Beschleuniger-Massenspektrometer eingesetzt. Die einzelnen Komponenten dieses Geräts, wie Ionenquelle, Beschleuniger, Analysemagnet oder elektrostatischer Analysator, sind entlang der Seiten eines 5 x 5 m großen Quadrats verteilt. In ihrer Gesamtheit bilden sie eine einheitliche Hochvakuumkammer von etwa 15 Metern Länge. Das Gerät kann in einen Niederenergie- und einen Hochenergieteil unterteilt werden.
Um das Verhältnis der einzelnen Kohlenstoffisotope zu bestimmen, misst das AMS-Spektrometer die Atome 14C, 13C und 12C, die von der Kathode (gefertigt aus dem zu prüfenden Material) freigesetzt werden.
Die in der Ionenquelle erzeugten Ionen des Kohlenstoffs werden in den Beschleuniger geleitet. Dort werden sie beschleunigt und gelangen in den Analysemagneten. Anschließend werden sie in eine so genannte Driftkammer gebracht, in der der elektrische Strom beider Ionenarten gemessen werden kann. Schließlich gelangen die Ionen des radioaktiven Kohlenstoffisotops 14C, nachdem sie einen elektrostatischen Analysator durchlaufen haben, zu einem Detektor, mit dem sie gezählt werden können. Das AMS-Spektrometer ist ein äußerst fortschrittliches Instrument. Alle Teile des Geräts sowie die aktuellen Betriebsparameter werden von einer speziellen Computersoftware kontrolliert und können von einem Bedienpult aus gesteuert werden.