Radiometrische Datierung

Henri Becquerel stieß 1896 auf die Radioaktivität: Uransalze, die in einer Schublade neben einer eingewickelten Fotoplatte lagen, schwärzten diese, ohne dass je Licht daran gekommen war. Marie und Pierre Curie fanden die verantwortlichen Elemente — Radium und Polonium — und beschrieben die Grundzüge des radioaktiven Zerfalls. Ernest Rutherford zeigte, dass der Zerfall exponentiell verläuft und jedes radioaktive Isotop dabei seine eigene Halbwertszeit hat. Was das physikalisch bedeutete, wurde erst 1907 deutlich: Bertram Boltwood datierte Uranminerale über ihr Verhältnis von Uran zu Blei, dem Tochterprodukt, und kam auf Alter bis zu rund 2,2 Milliarden Jahren — die jüngste seiner Proben lag bei etwa 410 Millionen Jahren. Mit einem Schlag waren Gesteine zu Uhren geworden. Lord Kelvins thermodynamisches Argument, die Erde sei höchstens etwa 100 Millionen Jahre alt, war binnen eines Jahrzehnts erledigt.

Die radiometrische Datierung funktioniert, weil radioaktive Zerfallsraten Naturkonstanten sind. Jedes Isotop hat seine Halbwertszeit — die Zeit, in der die Hälfte einer Probe in das Tochterprodukt übergeht —; sie ist kernphysikalisch festgelegt und bleibt, mit extrem hoher Genauigkeit gemessen, von Temperatur, Druck, Chemie und jeder anderen Umgebungsgröße unberührt. Wer das Verhältnis von verbliebenem Mutter- zu angehäuftem Tochterisotop misst und die Halbwertszeit kennt, rechnet daraus das Alter aus. Für verschiedene Zeiträume eignen sich verschiedene Isotopensysteme. Kohlenstoff-14 mit einer Halbwertszeit von 5.730 Jahren datiert organisches Material von einigen hundert bis etwa fünfzigtausend Jahren. Kalium-Argon und die feinere Argon-Argon-Methode greifen an vulkanischen Gesteinen von einigen hunderttausend Jahren bis in den Milliardenbereich; die ostafrikanischen Fundstellen der Homininen sind so datiert. Uran-Blei ist der Goldstandard für sehr alte Gesteine, weil zwei Zerfallsketten am selben Kristall parallel laufen (U-238 → Pb-206 mit 4,5 Mrd. Jahren Halbwertszeit, U-235 → Pb-207 mit 0,7 Mrd.): Zirkon baut bei seiner Bildung Uran ein und weist Blei ab, jedes später vorhandene Blei ist also zwangsläufig radiogen, und die beiden Ketten kontrollieren einander. Uran-Thorium reicht an marinen Karbonaten rund 500.000 Jahre zurück, Rubidium-Strontium und Samarium-Neodym datieren die ältesten Meteorite und Erdgesteine. Glaubwürdig wird das Verfahren durch die Gegenprüfung: Verschiedene Isotopensysteme an derselben Probe liefern dasselbe Alter. Im Konkordia-Diagramm der Uran-Blei-Datierung an Zirkon trägt man Pb-206/U-238 gegen Pb-207/U-235 auf; eine Probe, die geschlossen geblieben ist, liegt auf der Konkordia. Die Messung Pattersons von 1956 bestimmte das Erdalter aus fünf verschiedenen Isotopenverhältnissen in fünf verschiedenen Meteoriten — alle liefen bei 4,55 Mrd. Jahren zusammen. Die üblichen Einwände — die Zerfallsraten könnten in tiefer Zeit andere gewesen sein, eine Verunreinigung bliebe unbemerkt — sind wiederholt geprüft und widerlegt worden: Die Kernphysik begrenzt jede Schwankung der Zerfallsrate auf den Bereich von 10⁻⁹, und liefe auch nur ein System weg, müsste die Gegenprüfung quer durch die Isotopensysteme auseinanderfallen. Das Verfahren gehört zu den am besten abgesicherten Messsystemen, die eine Wissenschaft überhaupt vorzuweisen hat.