Am 17. Dezember 1908 wurde Willard Frank Libby auf einer Farm in Grand Valley, Colorado, geboren. Libby, ein physikalischer Chemiker, erhielt 1960 den Nobelpreis für Chemie für seine Entwicklung der Technik der Radiokohlenstoffdatierung. Diese Technik nutzt den Zerfall eines instabilen Kohlenstoffisotops, des radioaktiven Kohlenstoff-14 (C14), um das Alter von organischen Materialien zu bestimmen, also von allem, was aus ehemals lebendigem Material besteht. Mit Kohlenstoff datierbare Gegenstände, die im Allgemeinen zwischen einigen hundert und 60 000 Jahren alt sind, können so unterschiedlich sein wie die Sohle einer alten Sandale, Gletschereiskerne, die Schriftrollen vom Toten Meer oder Mumien aus dem Grab eines ägyptischen Pharaos. Die Radiokohlenstoffdatierung hatte einen so tiefgreifenden Einfluss auf viele Zweige der Humanwissenschaften – einschließlich Archäologie, Geologie, Geschichte, Geophysik und Konservierung – dass ihre Entdeckung als „Radiokohlenstoffrevolution“ bezeichnet wurde.
Bereits in den 1940er Jahren wussten die Forscher, dass kosmische Strahlung, wenn sie in die obere Atmosphäre der Erde eindringt, mit den dort vorhandenen Gasen zusammenstößt und Neutronenschauer erzeugt. Sie wussten auch, dass einige dieser frei schwebenden Neutronen wiederum von Stickstoffatomen absorbiert werden, die dabei in C14 umgewandelt werden (das häufigere Isotop ist Kohlenstoff-12). C14 ist instabil und zerfällt mit der Zeit wieder in Stickstoff – die Emission von Betateilchen während dieser zweiten Umwandlung ist der Prozess, der es radioaktiv macht.
Libby erkannte, dass C14 über eine Reihe weiterer Schritte aus der Atmosphäre in die Biosphäre gelangt:
- Neu produziertes C14 oxidiert zu Kohlendioxid (CO2), einem häufigen Bestandteil der Atmosphäre;
- Pflanzen absorbieren Kohlendioxidmoleküle durch Photosynthese, wandeln die Kohlenstoffatome in Zucker um und geben den Sauerstoff wieder an die Luft ab;
- Pflanzen werden direkt oder indirekt von allen lebenden Organismen verdaut.
Daher, so schloss Libby, enthalten alle lebenden Organismen eine kleine Menge C14. Er erkannte aber auch, dass die Aufnahme von Kohlenstoff aufhört, wenn ein Organismus stirbt. Da C14 mit der Zeit zerfällt, enthalten organische Gegenstände, die nicht mehr leben, immer geringere Anteile an C14, je älter sie werden. Libby konnte die in einem Gegenstand verbleibende C14-Menge mit der ursprünglich in der Atmosphäre gefundenen Menge vergleichen, um das Alter des Gegenstandes zu bestimmen.
In den 1950er Jahren bauten Libby und andere immer empfindlichere Geigerzähler, um die Radioaktivität organischer Objekte zu messen. Die Altersberechnungen basierten auf der Halbwertszeit von C14: Nach 5.730 Jahren sind noch etwa 50 Prozent der ursprünglichen C14-Menge in einem Gegenstand vorhanden. Zu den Gegenständen, die Libby testete und erfolgreich datierte, gehörten prähistorischer Faultiermist, Holzkohle aus Stonehenge und die Pergamentumschläge der Schriftrollen vom Toten Meer. Libby konnte seine Theorie weiter verifizieren, indem er Radiokarbontests an Gegenständen durchführte, deren Datum bereits aus anderen Quellen bekannt war.
Willard Libby promovierte 1933 in Chemie an der University of California, Berkeley, und lehrte dort bis zum Eintritt der USA in den Zweiten Weltkrieg im Rahmen des Manhattan-Projekts. Nach dem Krieg wurde Libby Professor für Chemie an der Universität von Chicago, wo er seine bahnbrechenden Forschungen durchführte; sein Buch Radiocarbon Dating wurde 1952 veröffentlicht. 1954 wurde Libby von Präsident Dwight Eisenhower in die Atomenergiekommission berufen. Kurz vor der Verleihung des Nobelpreises kehrte er an die UCLA zurück, wo er lehrte und forschte; er starb 1980.
Mit zusätzlicher Forschung haben Wissenschaftler die Techniken der Radiokohlenstoffdatierung weiter verfeinert. In Wirklichkeit ist der C14-Gehalt in der Atmosphäre im Laufe der Zeit zwar ähnlich, aber nicht völlig konstant gewesen. Veränderungen im Magnetfeld der Erde und der Sonne können die Intensität der kosmischen Strahlung beeinflussen, während der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre auch natürlichen Schwankungen unterliegt oder durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe verursacht wird. Durch Kernwaffentests in den 1950er und frühen 1960er Jahren stieg der C14-Gehalt in der Atmosphäre auf fast das Doppelte seines natürlichen Wertes. Um solchen Schwankungen Rechnung zu tragen, wurden Kalibrierungskurven auf der Grundlage der Dendrochronologie (Baumringdatierung) erstellt, die Tausende von Jahren zurückreichen.
Die in den 1980er Jahren entwickelte externe Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) ist eine Methode, die die Atome einer Kohlenstoffprobe nach ihrem Atomgewicht trennt. Dies bedeutet, dass der prozentuale Anteil von C14 in einer Probe direkt gemessen werden kann und nicht auf der Grundlage des radioaktiven Zerfalls. AMS erlaubt die Messung sehr kleiner Proben, was die Datierung von Museums- und Bibliotheksobjekten ermöglicht, ohne sie zu zerstören.