In mijn reeks Methode op Maandag bleef, zolang die reeks bestaat, één thema onaangeroerd: koolstofdatering. De ontwikkeling van deze techniek is een van de belangrijkste doorbraken geweest in de oudheidkunde. Tot de jaren veertig waren vrijwel alle archeologische dateringen namelijk gebaseerd op aardewerk, waarvan de ouderdom op zijn beurt weer was gebaseerd op teksten, zoals de koningslijsten van Egypte en Mesopotamië of de lijst van Siciliaanse stadsstichtingen van Thoukydides. Dit was de methode van Montelius.
Koolstofdateringen veranderden dat. Voortaan konden archeologen zonder teksten vaststellen hoe oud iets was. En dat, lieve kijkbuiskinderen, veranderde de discipline zélf: van een vak dat afhankelijk was van de filologische vakgebieden emancipeerde het tot een zelfstandig vak. De discipline veranderde – net als de historische taalkunde – van een kunsthistorische geesteswetenschap in een harde science, wat overigens niet wil zeggen dat er geen enkele onzekerheid is. Integendeel. In elk geval: er was sprake van een échte wetenschappelijke innovatie en niet van zo’n flauwe aanpassing van de positieve heuristiek die sinds de jaren tachtig aan de universiteit moet doorgaan voor innovatie.
Belangrijk dus, die koolstofmethode, en ze behoorde allang behandeld te zijn in Methode op Maandag. Het probleem is dat het principe weliswaar simpel is maar de praktijk niet. Daarom heb ik deze blog vandaag uitgeleend aan iemand die er meer van weet: mijn goede vriend Richard, wiens blog u behoort te volgen. Ik heb zijn tekst, die eerder hier is gepubliceerd, voor mijn eigen blog bewerkt. Ga er even voor zitten, want als u het naadje van de kous wil weten, gaat u een kleine 5000 woorden tegemoet.
***
Koolstof-12, koolstof-14
Alle levende organismen bevatten het element koolstof, dat via voedsel wordt opgenomen. Het koolstof is uit de lucht opgenomen door planten – in de vorm van koolzuurgas – en komt zo in de voedselketen terecht. Wie zich de scheikundelessen nog kan herinneren, weet dat koolstof het zesde element is en dat het koolstofatoom dus bestaat uit een kern van zes protonen, zes neutronen en een schil van zes elektronen. Die laatste wegen bijna niks en de kerndeeltjes hebben ongeveer hetzelfde gewicht. Koolstof heeft dus een atoomgewicht van twaalf en normale koolstof heet daarom voluit “koolstof-12”.
Nu vindt er hoog in de atmosfeer een proces plaats onder invloed van kosmische straling, waarbij stikstofatomen met enige regelmaat worden ”omgebouwd”. Stikstof is een gas en één van de belangrijkste bestanddelen van de atmosfeer. Het is het zevende element en heeft dus een atoomgewicht van 14. Bij dat ombouwproces wordt uit de stikstofkern één proton vervangen door een via die straling ingevlogen neutron, zodat er een atoom van – nog steeds – veertien kerndeeltjes ontstaat: zes protonen en acht neutronen. Het aantal protonen bepaalt hoe het zich gedraagt en dus om welk element het gaat: het is nu koolstof geworden met twee neutronen teveel en een atoomgewicht van 14. Zo’n afwijkend atoom heet een isotoop.
Ongeveer één op de biljoen koolstofatomen is zo’n koolstof-14 isotoop. Het koolstof 14-isotoop is niet stabiel. Dat wil zeggen dat het extra neutron na verloop van tijd spontaan uit elkaar valt in een proton, waardoor een normaal stikstofatoom en wat radioactieve straling ontstaan. De koolstof-14 verdwijnt dus. Wanneer een individueel koolstof 14-atoom uiteen valt, is niet te voorspellen, maar van elke grote hoeveelheid van die atomen staat vast dat na 5736 jaar de helft is verdwenen. Na nog eens 5736 jaar is weer de helft verdwenen, enzovoort. Dit is de beroemde halfwaardetijd.
Koolstofdatering: het principe
Dieren nemen koolstof op via het voedsel en planten halen het uit de lucht. Alle levende wezens zijn dus een beetje radioactief, want er vervalt voortdurend een kleine hoeveelheid koolstof-14. Zolang een organisme leeft neemt het koolstof-14 op en blijft het gehalte constant. Wanneer het echter sterft, stopt die opname en kan er alleen nog maar koolstof-14 verdwijnen. Een paar gram dode stof bevat doorgaans genoeg koolstofatomen om het gehalte koolstof-14 te meten.
En nu volgt de truc: omdat we weten dat één op de biljoen koolstofatomen koolstof-14 is kun je uitrekenen hoeveel koolstof-14 atomen er in een bepaalde hoeveelheid organisch materiaal moeten zitten. Als je vervolgens meet hoeveel er nog écht in zit, vormt het tekort een aanwijzing voor de ouderdom.
De complicaties
Organische materiaal is er in vele vormen: leer, hout, bot, papier, kalk, wol, zaden, veen, tanden, linnen, schelpen, perkament, mummies en veenlijken – het is allemaal ooit gemaakt van levende wezens en dus geschikt voor datering met behulp van koolstof-14. Dat klinkt veelbelovend en het principe is eenvoudig, maar desondanks zijn er moeilijkheden.
Doordat de isotoop uiteindelijk verdwijnt, is de methode beperkt toepasbaar. Voorwerpen die ouder zijn dan pakweg 50.000 jaar bevatten nog maar zó weinig koolstof-14 dat de statistiek te onbetrouwbaar wordt en dateren niet meer mogelijk is.
Een andere complicatie is dat het gehalte aan koolstof-14 (één op de biljoen) in de atmosfeer door de tijd heen niet constant is. Verder kunnen monsters vervuild raken, waardoor het koolstof-14 gehalte verandert en de gemeten waarde niet meer uitsluitend afhankelijk is van hoe oud het voorwerp is. Wetenschapssceptici gebruiken deze problemen dankbaar aan om twijfel te zaaien maar in de praktijk zijn er altijd oplossingen.
[Oorspronkelijk hier te vinden op de blog van Richard Kroes; wordt vervolgd.
Geschiedenis is geen amusement, leuk voor een vrijblijvend stukje in een tijdschrift of een item op TV. Het is een wetenschap. In de reeks “Methode op Maandag” (MoM) leg ik uit wat de oudheidkundige wetenschappen, en de historische wetenschappen in het algemeen, maakt tot wetenschappen. Een overzicht van deze en vergelijkbare stukjes is hier.]
Probeer van bovenstaande foto een houtskooltekening te maken,indrukwekkend!