Op 17 december 1908 werd Willard Frank Libby geboren op een boerderij in Grand Valley, Colorado. Libby, een fysisch chemicus, won in 1960 de Nobelprijs voor de ScheikundeExtern voor zijn ontwikkeling van de techniek die bekend staat als radiokoolstofdatering. Deze techniek maakt gebruik van het verval van een onstabiele isotoop van koolstof, radioactief koolstof-14 (C14), om de leeftijd van organisch materiaal te bepalen – alles wat bestaat uit materie die ooit levend was. Koolstofdateringen, die gewoonlijk variëren van een paar honderd tot 60.000 jaar oud, kunnen zo uiteenlopend zijn als de zool van een oude sandaal, ijskernen van gletsjers, de Dode Zee-rollen, of mummies uit het graf van een Egyptische farao. Radiokoolstofdatering heeft zo’n grote invloed gehad op veel takken van de menswetenschappen, waaronder archeologie, geologie, geschiedenis, geofysica en conservering, dat de ontdekking ervan “de radiokoolstofrevolutie” wordt genoemd.”
In de jaren ’40 wisten onderzoekers al dat wanneer kosmische straling de bovenste atmosfeer van de aarde binnendringt, dit in botsing komt met de daar aanwezige gassen, waardoor neutronenbuien ontstaan. Zij wisten ook dat enkele van deze vrij zwevende neutronen op hun beurt worden geabsorbeerd door stikstofatomen, die tijdens dit proces worden omgezet in C14 (de meest voorkomende isotoop is koolstof-12). C14 is onstabiel en zal na verloop van tijd weer vervallen tot stikstof – de emissie van betadeeltjes tijdens deze tweede transformatie is het proces dat het radioactief maakt.
Libby’s prestatie bestond erin te erkennen dat C14 zich via een reeks extra stappen van de atmosfeer naar de biosfeer verplaatst:
- nieuwe geproduceerde C14 oxideert om kooldioxide (CO2) te vormen, een gemeenschappelijk bestanddeel van de atmosfeer;
- planten absorberen kooldioxidemoleculen door fotosynthese, waarbij de koolstofatomen in suiker worden omgezet, terwijl de zuurstof weer in de lucht vrijkomt;
- planten worden, direct of indirect, door alle levende organismen verteerd.
Daaruit, concludeerde Libby, bevatten alle levende organismen een kleine hoeveelheid C14. Maar hij erkende ook dat de opname van koolstof ophoudt wanneer een organisme sterft. Omdat C14 in de loop van de tijd vervalt, bevatten organische voorwerpen die niet meer leven, steeds kleinere percentages C14 naarmate ze ouder worden. Libby kon de resterende hoeveelheid C14 in een voorwerp vergelijken met de hoeveelheid die oorspronkelijk in de atmosfeer werd aangetroffen om de leeftijd van dat voorwerp te bepalen.
Tijdens de jaren 1950 bouwden Libby en anderen steeds gevoeligere geigertellers om de radioactiviteit van organische voorwerpen te meten. De ouderdomsberekeningen werden gebaseerd op de halveringstijd van C14: na 5730 jaar zal ongeveer 50% van de oorspronkelijke hoeveelheid C14 nog in een voorwerp aanwezig zijn. Libby testte onder meer prehistorische luiaardmest, houtskool uit Stonehenge en de perkamenten omhulsels van de Dode Zee-rollen. Libby was in staat zijn theorie verder te verifiëren door radiokoolstofproeven uit te voeren op voorwerpen waarvan de datering reeds bekend was uit andere bronnen.
Willard Libby promoveerde in 1933 in de scheikunde aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en bleef daar lesgeven totdat hij zich aansloot bij het Manhattan Project toen de V.S. aan de Tweede Wereldoorlog deelnam. Na de oorlog werd Libby hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Chicago, waar hij zijn baanbrekende onderzoek verrichtte; zijn boek Radiocarbon Dating werd in 1952 gepubliceerd. Libby werd in 1954 door president Dwight Eisenhower benoemd tot lid van de Commissie voor Atoomenergie. Kort voordat hij de Nobelprijs won, keerde hij terug naar UCLA om les te geven en onderzoek te doen; hij overleed in 1980.
Met bijkomend onderzoek zijn wetenschappers de technieken van radiokoolstofdatering blijven verfijnen. In werkelijkheid zijn de C14-niveaus in de atmosfeer in de loop der tijd vergelijkbaar, maar niet volledig constant geweest. Veranderingen in de magnetische velden van de aarde en de zon kunnen van invloed zijn op de intensiteit van de kosmische straling, terwijl ook het kooldioxidegehalte in de atmosfeer op natuurlijke wijze of door de verbranding van fossiele brandstoffen fluctueert. Kernwapenproeven in de jaren 1950 en het begin van de jaren 1960 hebben de hoeveelheid C14 in de atmosfeer opgedreven tot bijna het dubbele van het natuurlijke niveau. Om met dergelijke schommelingen rekening te houden, zijn op de dendrochronologie (datering van boomringen) gebaseerde ijkcurven gemaakt, die duizenden jaren teruggaan.
Ontwikkeld in de jaren tachtig, is versnellermassaspectrometrie Extern (AMS) een methode die de atomen van een koolstofmonster scheidt op basis van het atoomgewicht. Dit betekent dat het percentage C14 in een monster rechtstreeks kan worden gemeten, in plaats van op basis van radioactief verval. Met AMS kunnen zeer kleine monsters worden gemeten, waardoor museum- en bibliotheekvoorwerpen kunnen worden gedateerd zonder dat zij hoeven te worden vernietigd.