Den 17 december 1908 föddes Willard Frank Libby på en gård i Grand Valley, Colorado. Libby, en fysikalisk kemist, fick 1960 Nobelpriset i kemiExternal för sin utveckling av den teknik som kallas radiokoldatering. Denna teknik använder sönderfallet av en instabil kolisotop, radioaktivt kol-14 (C14), för att bestämma åldern på organiska material – allt som består av materia som en gång var levande. Koldaterbara föremål, som i allmänhet är mellan några hundra och 60 000 år gamla, kan vara så varierande som sulan på en gammal sandal, iskärnor från glaciärer, Dödahavsrullarna eller mumier från en egyptisk faraos grav. Koldioxiddatering har haft en så djupgående inverkan på många grenar av humaniora – inklusive arkeologi, geologi, historia, geofysik och konservering – att dess upptäckt har kallats för ”koldioxistrevolutionen”.
På 1940-talet visste forskarna redan att när kosmisk strålning kommer in i jordens övre atmosfär kolliderar den med de gaser som finns där och producerar neutronregn. De visste också att några av dessa fritt svävande neutroner i sin tur absorberas av kväveatomer, som i processen omvandlas till C14 (den vanligare isotopen är kol-12). C14 är instabil och kommer med tiden att sönderfalla tillbaka till kväve – emissionen av betapartiklar under denna andra omvandling är den process som gör den radioaktiv.
Libbys bedrift var att inse att C14 rör sig från atmosfären till biosfären genom en rad ytterligare steg:
- nyproducerat C14 oxideras och bildar koldioxid (CO2), en vanlig komponent i atmosfären;
- växter absorberar koldioxidmolekyler genom fotosyntes och omvandlar kolatomerna till socker samtidigt som syret frigörs tillbaka till luften;
- växter, direkt eller indirekt, smälts av alla levande organismer.
Därmed, drog Libby slutsatsen, innehåller alla levande organismer en liten mängd C14. Men han insåg också att kolupptaget upphör när en organism dör. Eftersom C14 sönderfaller med tiden innehåller organiska föremål som inte längre är levande allt mindre andelar C14 ju äldre de blir. Libby kunde jämföra den mängd C14 som fanns kvar i ett föremål med den mängd som ursprungligen fanns i atmosfären för att bestämma föremålets ålder.
Under 1950-talet byggde Libby och andra allt känsligare Geigerräknare för att mäta radioaktiviteten i organiska föremål. Åldersberäkningar baserades på halveringstiden för C14: efter 5 730 år kommer cirka 50 procent av den ursprungliga mängden C14 fortfarande att finnas kvar i ett föremål. Bland de föremål som Libby testade och framgångsrikt daterade fanns förhistorisk sengångsdynga, träkol från Stonehenge och pergamentomslagen i Dödahavsrullarna. Libby kunde ytterligare verifiera sin teori genom att utföra koldioxindtester på föremål vars datering redan var känd från andra källor.
Willard Libby disputerade i kemi vid Kaliforniens universitet i Berkeley 1933 och fortsatte att undervisa där tills han anslöt sig till Manhattanprojektet när USA gick in i andra världskriget. Efter kriget blev Libby professor i kemi vid University of Chicago, där han bedrev sin banbrytande forskning; hans bok Radiocarbon Dating publicerades 1952. Libby utsågs av president Dwight Eisenhower till medlem av atomenergikommissionen 1954. Strax innan han fick Nobelpriset återvände han till undervisning och forskning vid UCLA; han dog 1980.
Med ytterligare forskning har forskarna fortsatt att förfina tekniken för koldioxiddatering. I verkligheten har C14-nivåerna i atmosfären varit likartade, men inte helt konstanta, över tid. Förändringar i jordens och solens magnetfält kan påverka intensiteten av kosmisk strålning, medan koldioxidhalterna i atmosfären också fluktuerar naturligt eller på grund av förbränning av fossila bränslen. Kärnvapentester under 1950-talet och början av 1960-talet ökade mängden C14 i atmosfären till en högsta nivå på nästan dubbelt så mycket som den naturliga nivån. För att ta hänsyn till sådana fluktuationer har man skapat kalibreringskurvor baserade på dendrokronologi (datering av trädringar) som går tusentals år bakåt i tiden.
Acceleratormasspektrometri Externa (AMS), som utvecklades på 1980-talet, är en metod som separerar atomerna i ett kolprov med hjälp av atomvikt. Detta innebär att procentandelen C14 i ett prov kan mätas direkt, snarare än på grundval av radioaktivt sönderfall. AMS möjliggör mätning av mycket små prover, vilket gör det möjligt att datera musei- och biblioteksföremål utan att förstöra dem.