Libby und der Kohlenstoff

Mehrere tausend Jahre alte Pflanzensamen, Schriften aus alten Zivilisationen, Tonscherben aus alten Gräbern - oft verblüffen Wissenschaftler mit genauen Altersangaben. Willard Libby ist der Erfinder der Radiokarbon- methode.

Willard Frank Libby wurde am 17. Dezember 1908 in Grand Valley, Colorado, USA, geboren. Er studierte zwischen 9127 und 1933 Chemie an der Universität von Berkeley in Kalifornien. Von 1941 an arbeitete er im Rahmen des Manhattan-Projekts an der Entwicklung der Atombombe mit.

Nach dem Krieg lehrte er an der Universität von Chicago und Kalifornien. 1976 ging er in den Ruhestand. Libby beschäftigte sich besonders mit Radioaktivität. Er erfand auch die erste Atomuhr. Er war sehr an so genannten Isotopen interessiert. Isotope? Was soll das sein?

Isotope

Kohlenstoff in Form von - Kohle! Ein weit verbreitetes und wichtiges Element auf der Erde. Ohne wäre Leben so wie wir es kennen, nicht möglich. Weil es eine so wichtige Rolle für das Leben spielt, heißen alle chemischen Verbindungen, die es enthalten, "organisch". Man spricht auch von "organischer Chemie".

Alles um dich herum ist aus chemischen Elementen zusammengesetzt. Bekannte chemische Elemente sind Wasserstoff (Symbol H) , Sauerstoff (O) oder auch Kohlenstoff (C). Ein Kohlenstoffatom besteht aus einem Atomkern mit einem bestimmten Gewicht und einer bestimmten Anzahl an Elektronen in der Hülle.

Von vielen Elementen gibt es unterschiedliche Sorten, die man Isotope nennt. Kohlenstoff kommt in drei Sorten vor, es gibt also drei Kohlenstoffisotope. 12C ist die verbreitetste, dann gibt es noch 13C und 14C. Sie haben alle die gleiche Anzahl von Elektronen in der Hülle und reagieren damit alle chemisch gleich. Aber ihr Atomkern ist unterschiedlich schwer. Oft sind Isotope auch radioaktiv. Das heißt, ihr Atomkern zerfällt in zwei Teile. Dabei wird Energie in Form von Strahlung freigesetzt.

Feste Verhältnisse

Die verschiedenen Isotope sind unterschiedlich weit verbreitet: fast 99 Prozent des Kohlenstoffs auf der Erde ist von der Sorte 12C, knapp 1 Prozent gehört zur Sorte 13C und einen verschwindend geringen Anteil machen die Atome des Typs 14C aus.

Willard Libby kam nun auf eine geniale Idee: Man weiß also, in welchem Verhältnis die drei Kohlenstoffsorten in der Natur vorkommen. Gleichzeitig weiß man, dass 14C radioaktiv ist und wie schnell es zerfällt.

Kohlenstoff und das Alter

Jedes lebende Ding baut ständig Elemente aus seiner Nahrung oder Umgebung in sich ein - auch Du!

Wenn man nun eine Probe hat, sei es Holz oder daraus hergestelltes Papier, Tonscherben aus alten Gräbern, Überreste alter Pflanzen, Knochen oder ähnliches, dann kann man untersuchen, in welchem Verhältnis die drei Kohlenstoffsorten darin vorkommen. Wenn man nun berücksichtigt, dass 14C zerfällt, dann kann man in gewissen Grenzen ausrechnen, wie alt der untersuchte Gegenstand ist!

Weil man sich dabei der Radioaktivität und des Kohlenstoffs bedient, nennt man dieses Verfahren auch Radiokarbonmethode.

Ein Baum zum Beispiel nutzt den in der Luft im Kohlendioxid (CO2) vorkommenden Kohlenstoff, um daraus nach chemischer Umwandlung sein Holz zu bauen. Solange der Baum wächst und lebt, solange baut der Baum dabei den Kohlenstoff aus seiner Umgebung im natürlichen Verhältnis in sein Gewebe ein.

Altersbestimmung bei Papier

Stell dir vor, dieser Baum wurde vor einigen hundert Jahren gefällt. Daraus wurde in mühevoller Handarbeit ein prächtig bemaltes Papier hergestellt und in einem Kloster aufbewahrt. Heute nun soll das Alter dieser Schrift genau bestimmt werden. Ein Wissenschaftler bereitet dazu eine kleine Probe vor, indem das Papier gereinigt, chemisch aufbereitet und schließlich verbrannt wird. Das entstehende Gas wird aufgefangen und die Radioaktivität gemessen.

Da man weiß, in welchem Verhältnis die Kohlenstoffisotope normalerweise vorkommen und da man auch weiß, wie schnell radioaktiver Kohlenstoff 14C zerfällt, kann man aus dieser Messung des Verbrennungsgases feststellen, wie viel 14C noch vorhanden ist.

Daraus kann man dann Rückschlüsse auf das absolute Alter der Probe ziehen. Das funktioniert bis zu einem Alter von rund 50 000 Jahren der Probe. In älteren Proben ist nur noch so wenig vorhanden, dass man es mit heutigen Methoden nicht exakt messen kann.

Dabei gilt es einiges zu beachten: In der Natur gibt es einige Kohlenstoffquellen, die Messungen verfälschen können. Frischer Fisch aus der Antarktis zum Beispiel würde mit der Radiokarbonmethode auf ein Alter von mehreren hundert Jahren geschätzt werden. Das liegt daran, dass diese Fische mit der Nahrung Kohlenstoff aufnehmen, der aus sehr alten Eismassen stammt und in dem das 14C schon zum Teil zerfallen ist.

Willard Frank Libby erhielt für die Entwicklung dieser Untersuchungsmethoe den Nobelpreis für Chemie. Libby starb am 8. September 1980 in Los Angeles.

Übrigens:

Der Begriff Isotop ist griechisch und bedeutet am gleichen Ort, denn diese Elementsorten haben die gleichen chemischen Eigenschaften und stehen an der gleichen Stelle im Periodensystems wie das Ursprungselement.

Text: -jj- 17.12.2008 // Bilder: Bücher: Tom Murphy VII cc-by-sa 2.0; Kiefer: W.J. Pilsak GFDL; Kohle: Winfried Müller GFDL;

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