Grundprinzipien der Radiokohlenstoffdatierung

Es gibt drei natürliche Isotope des Kohlenstoffs: Das häufigste ist das stabile Isotop ¹²C (98,89%), das zweithäufigste ist das stabile Isotop ¹³C (1,11%), während das radioaktive Isotop ¹⁴C eine Häufigkeit von nur 1,176 x 10^-12 Atomen je ¹²C Atom besitzt.

¹⁴C entsteht hauptsächlich in der Stratosphäre (in ca 15 - 50 km Höhe) durch den Zusammenstoß von Neutronen der kosmischen Strahlung mit Stickstoffatomen (¹⁴N) der Luft. Bei dieser Reaktion wird ein Neutron eingefangen und dafür ein Proton abgespaltet. Das entstandene ¹⁴C wird schnell zu ¹⁴CO₂ oxidiert, durch Photosynthese in Pflanzen eingebaut und über die Nahrungskette von heterotrophen Organismen aufgenommen.Verschiedene Austauschprozesse zwischen der Atmosphäre, Biosphäre und Hydrosphäre bewirken ein dynamisches Gleichgewicht zwischen ¹⁴C-Production und Zerfall. Die Austauschraten zwischen den unterschiedlichen Kohlenstoffreservoiren variieren jedoch stark abhängig von den jeweiligen Umsatzraten.

Nach dem Tod eines Organismus wird kein ¹⁴C mehr aufgenommen und die ¹⁴C Konzentration sinkt durch radioaktiven Zerfall mit einer Halbwertszeit von 5730 +/- 40 Jahren (Godwin, 1962). Nach etwa 10 Halbwertszeiten (ca 57.000 Jahren) ist das in der Probe eingebaute ¹⁴C vollständig zerfallen und somit keine Datierung mit Radiokohlenstoff mehr möglich.

Grundannahmen der Radiokohlenstoffmethode bzw. der Bestimmung absoluter Alter liegen einige Annahmen zugrunde, die nur teilweise erfüllt werden: 

1. Die ¹⁴C-Produktion war konstant über einen Zeitraum von 10⁵ Jahren
2. Der Kohlenstoffaustausch zwischen den großen Reservoiren Atmosphäre, Biosphäre und Ozeane ist schnell im Vergleich zur ¹⁴C Halbwertszeit
3. Es gibt keine Fraktionierung der verschiedenen Kohlenstoffisotope bei der Aufnahme in unterschiedliche Organismen
4. Nach dem Tod eines Organismus oder der Ablagerung von Karbonaten endet der Kohlenstoffaustausch mit der Umgebung (geschlossenes System)
5. ¹⁴C zerfällt mit einer konstanten Rate unbeeinflusst von chemischen und physikalischen Faktoren der Umgebung

Die Kalibrierung von ¹⁴C-Altern ist im wesentlichen erforderlich aufgrund der variablen atmosphärischen ¹⁴C-Produktion bzw. Konzentration (Punkt 1). Aufgrund des langsamen Kohlenstoffaustausch zw. Atmosphäre-Ozean/See (und Ozeanzirkulationsprozesse) muss eine zusätzlich 'Reservoir-Alterskorrektur' bei marinen und lakustrinen Proben erfolgen (Punkt 2). ¹⁴C-Gehalte werden auf definierte ¹³C-Werte normalisiert (Punkt 3). Für rezente Böden bzw. Bodenhorizonte kann kein Alter ermittel werden, da es offene Systeme sind (Punkt 4).