MoM | Koolstofdateringen: Isotoopfractionering

Fotosynthese is een van de processen waarbij isotoopfractionering een rol speelt (foto Needpix.com)

We hebben in de eerste stukjes gemakshalve aangenomen dat de hoeveelheid koolstof-14 in de atmosfeer correspondeert met die in levende wezens, de biosfeer. In de wat ingewikkelder werkelijkheid blijkt dit niet helemaal te kloppen.

Een atoom koolstof-14 heeft twee kerndeeltjes meer dan een normaal koolstof-12-atoom en dat wil zeggen dat het 16% zwaarder is. Dat heeft om te beginnen gevolgen voor het fysische gedrag van het koolstof-14-atoom: koolzuurgas met de zwaardere isotoop verdampt iets minder makkelijk uit water dan koolzuurgas met koolstof-12. Omgekeerd slaat een verbinding met koolstof-14 net even iets sneller neer dan één met de lichtere vorm. Zo ontstaan verschillen tussen het gehalte koolstof-14 in zee en in de atmosfeer.

Het extra gewicht van het koolstof-14-atoom heeft ook een effect op het chemische gedrag van koolstof-14. Er zijn talloze biochemische reacties waarbij koolstof-14-atomen bovenmatig veel voorkomen (“aanrijking”) of juist niet (“verarming”). De details van deze zogeheten isotoopfractionering zijn hier niet zo belangrijk maar het komt erop neer dat als een voorwerp bij leven aangerijkt is geraakt met koolstof-14, het proces van radioactief verval begint op een hoger koolstof-14-niveau, zodat een archeologische vondst te jong zal worden gedateerd. Omgekeerd zal een verarmd voorwerp ouder lijken dan het is.

Gelukkig valt voor dit verschijnsel te corrigeren. Ongeveer 1% van de koolstofatomen bestaat uit koolstof-13: een isotoop die één neutron extra en dus een atoomgewicht van 13 heeft en die niet radioactief uiteenvalt. Nu is het gewichtsverschil tussen koolstof-14 en koolstof-12 precies tweemaal dat tussen koolstof-13 en koolstof-12 en dat wil zeggen dat het effect op aanrijking en verarming op koolstof-14 het dubbele moet zijn van dat effect op koolstof-13. Omdat koolstof-12 en koolstof-13 beide stabiel zijn, is de hoeveelheid ervan in een te dateren monster gelijk aan de oorspronkelijke hoeveelheid en de ratio tussen beide is dus ook die van de oorspronkelijke situatie. Door diezelfde ratio met twee te vermenigvuldigen – in het echt is het iets ingewikkelder – valt te berekenen met welke ratio de oorspronkelijke hoeveelheid koolstof-14 in het monster moet worden gecorrigeerd.

Wanneer de voor isotoopfractionering gecorrigeerde oorspronkelijke hoeveelheid koolstof-14 wordt gebruikt in de vergelijking met de nog resterende hoeveelheid in het te dateren monster, ontstaat een datering die alle problemen rondom aanrijking en verarming heeft omzeild. Maar opnieuw geldt dat er complicaties zijn.

[Oorspronkelijk hier te vinden op de blog van Richard Kroes; wordt vervolgd]