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Die C14-Methode

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Götz Vollweiler
Die C14-Methode
lernst du in der 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Die C14-Methode

Inhalt

Die C14-Methode – Chemie

Sicher hast du schon einmal von dem Gletschermann Ötzi gehört. Das Alter dieser Eismumie wird mit rund 5.300 Jahren angegeben. Aber woher weiß man das? Wissenschaftler haben das Alter mit der pfiffigen C14-Methode bestimmt.

Die C14-Methode – Definition
Mit der C14-Methode oder Radiokarbonmethode kann man das Alter toter organischer Stoffe anhand des Anteils des radioaktiven Kohlenstoffisotops $_{6}^{14}C$ bestimmen.

Wie die C14-Methode funktioniert

Alle organischen Stoffe, also alle Pflanzen und Tiere, enthalten Kohlenstoff. Kohlenstoff liegt in der Atmosphäre zum weitaus größten Teil als stabiles Isotop $_{6}^{12}C$ vor.

Allerdings liegt ein ganz kleiner Teil des Kohlenstoffs, genau genommen nur ein Billionstel, als radioaktives Isotop $_{6}^{14}C$ vor, das im Kern zwei Neutronen mehr hat.

Dieses Isotopenverhältnis von eins zu einer Billion, also $\frac {^{14}C} {^{12}C}$ = $\frac {1} {10^{12}}$, liegt so auch in allen lebenden Pflanzen und Tieren vor.

Woher kommt das Isotop $_{6}^{14}C$?
Durch kosmische Strahlung werden in der Atmosphäre Neutronen freigesetzt. In einer Kernreaktion mit so einem Neutron $n$ wird das stabile Stickstoffisotop $^{14}N$ unter Freisetzung eines Protons $p$ in das radioaktive Kohlenstoffisotop $^{14}C$ umgewandelt. Das Stickstoffatom fängt gewissermaßen ein Neutron ein und spaltet dafür ein Proton ab:

$_{7}^{14}N + \text{n} \longrightarrow~ _{6}^{14}C + p$

Verbreitung Isotop C14

Was passiert mit dem Isotop $_{6}^{14}C$?
Das radioaktive Kohlenstoffisotop $^{14}C$ liegt dem Isotopenverhältnis $\frac {^{14}C} {^{12}C}$ entsprechend in den Kohlenstoffdioxidmolekülen $CO_2$ in der Atmosphäre vor. Da lebende Pflanzen $CO_2$ aufnehmen, liegt in ihnen der gleiche Anteil an $^{14}C$-Isotopen vor. Das gilt dann natürlich auch für die Tiere. Durch die laufende Aufnahme des Isotops $^{14}C$ bleibt das Verhältnis $\frac {^{14}C} {^{12}C}$ in allen lebenden Organismen gleich.
Wenn aber Pflanzen und Tiere nach ihrem Absterben nicht verwesen, sondern sie beispielsweise in Eis konserviert werden, dann zerfällt das vorhandene $^{14}C$-Isotop mit einer Halbwertszeit $T_{1/2}$ von 5.730 Jahren zu $^{14}N$. Dabei handelt es sich um einen $\beta^-$-Zerfall, d.h. durch Umwandlung eines Neutrons in ein Proton wird ein Elektron $e^{-}$ (und ein Antineutrino $\bar{\nu}$) freigesetzt.

$_{6}^{14}C \longrightarrow~ _{7}^{14}N + e^{-} +\bar{\nu}$

Wie die C14-Methode den Zerfall von $^{14}C$ nutzt
Da die Halbwertszeit $T_{1/2}$ des radioaktiven Kohlenstoffisotops $^{14}C$
5.730 Jahre (+/- 30 Jahre) beträgt, ist nach dieser Zeit der Anteil an $^{14}C$ im gesamten Kohlenstoff des toten Organismus auf die Hälfte gesunken. Nach weiteren 5.730 Jahren liegt nur noch ein Viertel der sonst üblichen Menge an $^{14}C$-Isotopen vor. Mit diesem Wissen kann man nun das Alter von toter organischer Materie recht genau bestimmen. Die Genauigkeit der Altersbestimmung mit der C14-Methode schwankt von Fall zu Fall und liegt oft im Bereich einiger Jahrzehnte.

Beispiel zur Berechnung des Alters mit der C14-Methode
Bei einem alten Mammutknochen aus dem Permafrostboden Sibiriens findet man im Vergleich zu lebenden Tieren nur noch ein Viertel der üblichen Menge an $^{14}C$-Isotopen. Da mit einer Halbwertszeit von 5.730 Jahren nach dieser Zeit genau die Hälfte des ursprünglich im Mammut vorhandenen Anteils an $^{14}C$ zerfallen ist, muss bei Vorliegen eines Viertels schon die doppelte Zeit vergangen sein, also 11.460 Jahre. Das Mammut ist etwa 11.460 Jahre alt.

Bekannte Anwendungen der C14-Methode

  • Das Alter der Eismumie Ötzi wurde mit der C14-Methode auf etwa 5.300 Jahre datiert.
  • Das Alter des Turiner Grabtuchs wurde mit der C14-Methode auf etwa 700 Jahre datiert.
  • Das Alter der Qumranschriften, das sind Schriftrollen, die am Toten Meer gefunden wurden, wurde mit der C14-Methode auf etwa 2.100 Jahre bestimmt.

Hinweise zum Video

In diesem Video wird dir die C14-Methode erklärt. Zum besseren Verständnis solltest du bereits die radioaktiven Zerfallsreaktionen kennen und wissen, was Halbwertszeit bedeutet und was ein Isotop ist.

Übungen
Du findest hier auch Übungen, mit denen du dein neues Wissen über die C14-Methode testen kannst.

Transkript Die C14-Methode

Hallo und herzlich willkommen. Das Thema des heutigen Videos ist die sogenannte C-14-Methode, die auch Radiokarbonmethode oder Radiokohlenstoffdatierung genannt wird. Um das Video zu verstehen, solltest du bereits wissen...

  1. was Radioaktivität ist.
  2. was Isotope sind. und 3. was ein chemisches Gleichgewicht ist.

Nach dem Video weißt du, welches das Prinzip der C-14-Methode ist und wofür sie eingesetzt wird. Zunächst einmal eine einleitende Definition. Die Radiokarbonmethode ist ein Verfahren zur Altersbestimmung organischer Materialien. Sie basiert auf dem radioaktiven Zerfall des C14-Isotops. Prominente Beispiele für die Anwendung dieser Methode sind etwa:

  • die Altersbestimmung des Grabtuches von Turin
  • die Altersbestimmung der Schriftrollen von Qumran (das ist irgendwo am Toten Meer) und (die bekannteste vielleicht)
  • die Altersbestimmung des Gletschermannes Ötzi.

Jetzt aber: Wie funktioniert die Methode nun? Dazu folgende Geschichte: Wie ihr wisst, leben wir auf dem Planeten Erde und dieser Planet besitzt eine Atmosphäre. Wie ihr vielleicht auch wisst, ist diese Atmosphäre ständig kosmischer Strahlung ausgesetzt - also irgendwelche, meistens elektromagnetische Strahlen, die von den Sternen im Weltall ausgesandt werden und auf uns niederprasseln. Nun ist es aber so, dass unsere Atmosphäre zum großen Teil aus Stickstoff besteht und dieser Stickstoff kann, wenn er kosmischer Strahlung ausgesetzt wird, eine Reaktion durchmachen (eine Kernreaktion), die hier dargestellt ist, in deren Verlauf das Stickstoffatom unter Neutronenbeschuss - der durch die kosmische Strahlung ausgelöst wird -, sich in ein 14-C-Atom verwandelt und dabei ein Proton abgibt. Dabei entsteht eben dieses besagte C14. Reagiert dieses entstandene Kohlenstoffatom nun mit Luftsauerstoff, dann bildet sich CO2, also Kohlendioxid, welches C14 enthält. Kurz gesagt: Ständig entstehen in der Atmosphäre Kohlendioxid-Moleküle, die C14 enthalten. Zwar enthalten die meisten Kohlendioxid-Moleküle in der Atmosphäre C-12, aber einige eben C14. Nun ist es aber so, dass das C14-Isotop instabil ist; das heißt, es zerfällt radioaktiv. Dabei reagiert es wieder zurück zu Stickstoff 14 unter Abgabe eines Elektrons, also von Betastrahlung, und außerdem noch eines Antineutrinos, die aber nicht weiter interessieren sollen. Wichtig ist nur, dass aus dem Kohlenstoff 14 wieder Stickstoff 14 geworden ist. Wichtig ist auch, dass dieser Zerfall des C14s mit einer bestimmten Geschwindigkeit passiert. Und zwar beträgt die Halbwertszeit des radioaktiven Zerfalls von C14 genau 5730 Jahre. Das heißt also, dass nach 5730 Jahren die Hälfte der C14 Atome zerfallen ist - wenn keine nachgebildet werden natürlich. Man kann also sagen: Die Konzentration von C14O2 in der Atmosphäre ist konstant, da sich zwischen nachgebildetem und zerfallendem C14 ein chemisches Gleichgewicht ausbildet. Und dieses Gleichgewicht sieht so aus, dass die Konzentration an C14 im Verhältnis zur Konzentration an C12 in der Atmosphäre das Verhältnis 1:1012  bildet. Anders gesagt: Jedes billionste Kohlenstoff-Atom in der Atmosphäre ist ein C14 Atom. Das ist, was in der Atmosphäre passiert. Nun zur Erde: Hier wachsen ja bekanntlich Pflanzen und Pflanzen decken ihren Kohlestoffbedarf bekanntlich durch CO2 aus der Atmosphäre. Daher kommt es, dass in jeder lebendigen Pflanze ebenfalls jedes billionste Kohlenstoffatom ein C14-Atom ist. Nun tritt noch ein hungriger Elefant auf den Plan. Elefanten sind bekanntlich Pflanzenfresser. Unser Exemplar hier isst die Pflanze und siehe da: Auch in ihm finden sich nun die C14-Atome, die vorher in der Pflanze waren. Man kann also auch hier sagen: Jedes billionste Kohlenstoffatom im lebendigen Tier ist ein C14-Atom. Ich sage an dieser Stelle ganz bewusst: in jedem lebendigen Tier, denn irgendwann stirbt unser Elefant. Nun gehen wir mal davon aus, dass unser Elefant aus irgendeinem Grunde nicht verfault, sondern konserviert wird - durch Eis oder was weiß ich was. Nun beginnt die radioaktive Uhr zu ticken. Aus Strohhütten werden Pyramiden, aus Pyramiden werden griechische Tempel, aus griechischen Tempeln werden mittelalterliche Burgen, aus Burgen werden Hochhäuser und auch aus Hochhäusern werden Raumschiffe. Kurzum, die Jahrtausende vergehen und unser toter Elefant liegt immer noch da - völlig unverändert. Aber ist er wirklich völlig unverändert? Eben nicht. Würden wir genau hinschauen, dann würden wir sehen, dass die C14-Atome kaum noch vorhanden sind; sie sind zerfallen. Man kann also sagen: Nach einiger Zeit ist die Konzentration von C14 im toten organischen Material gesunken; und je älter das Material, desto geringer ist dann natürlich der C14-Gehalt. Analysiert man nun diesen C14-Gehalt, dann kann man anhand dieses Gehaltes das Alter der toten organischen Materie bestimmen. So, nun als Zusammenfassung eine kleine Auflistung der Schritte, die bei der C-14-Methode eine Rolle spielen:

    1. Schritt: Durch kosmische Strahlung entsteht in der Atmosphäre ständig C14.
    1. Schritt: Durch die ständige Nachbildung, aber auch den ständigen Zerfall des C14s ist die C14-Konzentration in der Atmosphäre konstant; das heißt, sie ändert sich nie.
  • Pflanzen und Tiere nehmen während ihrer Lebenszeit ständig dieses C14 in sich auf; das heißt, sie inkorporieren es.
  • Nach ihrem Tode zerfällt das C14 in diesen Lebewesen.
  • Je länger der Tod zurückliegt, desto weniger C14 ist in den Überresten der Pflanzen und Tiere enthalten.

Der genaue Gehalt an C14 in diesen Überresten lässt sich dann durch verschiedene Techniken feststellen, die wir hier im Einzelnen aber nicht besprechen wollen. Vielmehr noch etwas zu den Beschränkungen der Methode. Die eine Beschränkung besteht darin, dass man mithilfe dieser Methode natürlich nur das Alter von organischen Materialien bzw. von Materialien organischen Ursprungs feststellen kann. Das Alter von Steinen oder Metallen oder Keramiken lässt sich auf diese Art und Weise nicht feststellen. Die zweite Beschränkung besteht darin, dass man nur Zeiträume zwischen wenigen hundert Jahren und etwa 60.000 Jahre genau bestimmen kann. Jüngere oder ältere Proben können nicht mehr in ihrem Alter bestimmt werden. Das liegt einfach an der Nachweisgrenze der verwendeten Techniken.

So, und damit sind wir auch schon am Ende des Videos angelangt. Wir haben gerade gelernt, welches Prinzip der Radiokarbonmethode zugrunde liegt, und außerdem wofür diese Methode angewendet wird. 

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit. Tschüss, und bis zum nächsten Mal!

7 Kommentare

7 Kommentare
  1. sher gut Erklärt!!! Danke:)

    Von Madlen J., vor fast 7 Jahren
  2. Super Video :-) Dankesehr, habs kapiert!

    Von Kstephan, vor mehr als 7 Jahren
  3. Super Video :-) Dankesehr, habs kapiert!

    Von Kstephan, vor mehr als 7 Jahren
  4. Die Elefanten sehen richtig cool aus :D

    Von Brocks1, vor fast 9 Jahren
  5. super video! ich habs verstanden^^

    Von Limaya, vor mehr als 10 Jahren
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