17. joulukuuta 1908 Willard Frank Libby syntyi maatilalla Grand Valleyssa Coloradossa. Libby, fysikaalinen kemisti, voitti vuonna 1960 Nobelin kemianpalkinnonExternal hänen kehittämästään tekniikasta, joka tunnetaan nimellä radiohiiliajoitus. Tässä tekniikassa käytetään hiilen epästabiilin isotoopin, radioaktiivisen hiili-14:n (C14), hajoamista orgaanisen materiaalin iän määrittämiseen – kaiken sellaisen aineen, joka on joskus ollut elävää. Hiilidioksidia sisältäviä esineitä, joiden ikä vaihtelee yleensä muutamasta sadasta 60 000 vuoteen, voi olla niinkin erilaisia kuin muinaisen sandaalin pohja, jääkauden jääsydämet, Kuolleenmeren kääröt tai muumiot egyptiläisen faaraon haudasta. Radiohiiliajoituksella on ollut niin suuri vaikutus moniin ihmistieteiden aloihin – kuten arkeologiaan, geologiaan, historiaan, geofysiikkaan ja konservointiin – että sen keksintöä on kutsuttu ”radiohiilivallankumoukseksi”.
Tutkijat tiesivät jo 1940-luvulla, että kun kosminen säteily tunkeutuu maapallon yläilmakehään, se törmää siellä oleviin kaasuihin ja tuottaa neutronisuihkuja. He tiesivät myös, että osa näistä vapaasti leijuvista neutroneista absorboituu puolestaan typpiatomeihin, jotka muuttuvat prosessissa C14:ksi (yleisempi isotooppi on hiili-12). C14 on epävakaa ja hajoaa ajan mittaan takaisin typeksi – beetahiukkasten emissio tämän toisen muunnoksen aikana on prosessi, joka tekee siitä radioaktiivisen.
Libbyn saavutus oli tunnistaa, että C14 siirtyy ilmakehästä biosfääriin useiden lisävaiheiden kautta:
- uusi tuotettu C14 hapettuu muodostaen hiilidioksidia (CO2), joka on ilmakehän yleinen komponentti;
- kasvit absorboivat hiilidioksidimolekyylejä fotosynteesin avulla, jolloin ne muuttavat hiiliatomit sokeriksi vapauttaen samalla happea takaisin ilmaan;
- kasvit, suoraan tai epäsuorasti, joutuvat kaikkien elävien organismien ruoansulatukseen.
Siten, päätteli Libby, kaikki elävät organismit sisältävät pienen määrän C14:ää. Mutta hän myönsi myös, että hiilen otto loppuu, kun organismi kuolee. Koska C14 hajoaa ajan myötä, orgaaniset esineet, jotka eivät enää ole eläviä, sisältävät yhä pienemmän osuuden C14:ää, mitä vanhemmiksi ne tulevat. Libby pystyi vertaamaan esineessä jäljellä olevan C14:n määrää ilmakehästä alun perin löytyneeseen määrään ja näin määrittämään esineen iän.
1950-luvulla Libby ja muut rakensivat yhä herkempiä Geigerin laskureita mittaamaan orgaanisten esineiden radioaktiivisuutta. Ikälaskelmat perustuivat C14:n puoliintumisaikaan: 5 730 vuoden kuluttua esineessä on vielä noin 50 prosenttia alkuperäisestä C14:n määrästä. Libby testasi ja ajoitti onnistuneesti muun muassa esihistoriallisen laiskiaisen lannan, Stonehengen puuhiilen ja Kuolleenmeren kääröjen pergamenttikääreet. Libby pystyi edelleen todentamaan teoriansa tekemällä radiohiilikokeita esineille, joiden ajoitus oli jo tiedossa muista lähteistä.
Willard Libby väitteli kemian tohtoriksi Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä vuonna 1933, ja hän opetti siellä, kunnes hän liittyi Manhattan-projektiin, kun Yhdysvallat astui toiseen maailmansotaan. Sodan jälkeen Libbystä tuli Chicagon yliopiston kemian professori, jossa hän teki uraauurtavaa tutkimusta; hänen kirjansa Radiocarbon Dating julkaistiin vuonna 1952. Presidentti Dwight Eisenhower nimitti Libbyn atomienergiakomiteaan vuonna 1954. Vähän ennen Noble-palkinnon saamista hän palasi opettamaan ja tutkimaan UCLA:ssa; hän kuoli vuonna 1980.
Lisätutkimusten myötä tiedemiehet ovat jatkaneet radiohiiliajoituksen tekniikoiden hiomista. Todellisuudessa ilmakehän C14-pitoisuudet ovat olleet aikojen kuluessa samankaltaisia, mutta eivät täysin vakioita. Maan ja auringon magneettikenttien muutokset voivat vaikuttaa kosmisen säteilyn voimakkuuteen, ja ilmakehän hiilidioksidipitoisuudet vaihtelevat myös luonnollisesti tai fossiilisten polttoaineiden polton seurauksena. Ydinasekokeet 1950-luvulla ja 1960-luvun alussa nostivat C14:n määrän ilmakehässä lähes kaksinkertaiseksi luonnolliseen tasoon verrattuna. Tällaisten vaihteluiden huomioon ottamiseksi on luotu dendrokronologiaan (puiden vuosirenkaiden ajoitukseen) perustuvia kalibrointikäyriä, jotka ulottuvat tuhansien vuosien taakse.
1980-luvulla kehitetty kiihdytinmassaspektrometria Ulkoinen (AMS) on menetelmä, jossa hiilen näytteen atomit erotetaan atomipainon mukaan. Tämä tarkoittaa, että C14:n prosenttiosuus näytteessä voidaan mitata suoraan eikä radioaktiivisen hajoamisen perusteella. AMS mahdollistaa hyvin pienten näytteiden mittaamisen, mikä mahdollistaa museo- ja kirjastoesineiden ajoittamisen niitä tuhoamatta.