CHEMIENOBELPREIS 1960: WILLARD FRANK LIBBY

Chemienobelpreis 1960: Willard Frank Libby

 

Der Amerikaner erhielt den Nobelpreis für seine Methode der Anwendung von Kohlenstoff 14 zur Altersbestimmung in Archäologie, Geologie, Geophysik und anderen Zweigen der Wissenschaft.

 

 Biografie

 

Willard Frank Libby, * Grand Valley (Colorado) 17. 12. 1908, ✝ Los Angeles 8. 9. 1980; ab 1941 Professor an der Princeton University in New Jersey, während des Zweiten Weltkriegs Mitarbeiter des »Manhattan-Projekts« zur Entwicklung der Atombombe, ab 1945 Professor in Chicago, ab 1954 Mitglied der US-Atomenergiekommission, ab 1962 dort Direktor des Instituts für Geophysik in Los Angeles.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Willard Libby als Nobelpreisträger für Chemie — diese Nachricht verblüffte 1960 Experten und Laien gleichermaßen.Und das gleich aus zwei Gründen: So hat es für das tägliche Leben und den technischen Fortschritt nicht die geringste Bedeutung, wenn mit den Methoden des Amerikaners das Alter von biologischen Proben wie Knochen oder Pflanzenresten bestimmt wird. Bei fast allen anderen Nobelpreisen stellt das Komitee gern in den Vordergrund, wie wichtig die Leistung des Laureaten für die Zukunft der Menschheit sei. Obendrein versteht im Prinzip auch ein Laie, wie die Methode von Libby funktioniert — von anderen Chemienobelpreisen ist solche Trivialität eher unbekannt. Der Nobelpreis von 1960 ist in der langen Reihe der Auszeichnungen daher eine Ausnahme, obwohl Willard Libby die Auszeichnung sicher genauso berechtigt erhalten hat, wie viele andere Kollegen.

 

Hilft seine Methode doch entscheidend dabei, die Neugier der Menschen auf ihre eigenen Wurzeln zu befriedigen. Archäologen und Paläontologen hatten häufig ein Problem, wenn sie Funde aus alten Kulturen analysieren oder die Knochen längst von der Erde verschwundener Vorfahren untersuchen wollten: Deren Alter ließ sich zwar häufig annähernd festlegen. Eine exakte Bestimmung fehlte aber, bis Willard Libby eine Methode aus der Atomphysik lieferte.

 

Von Kohlenstoff kennen die Chemiker zwei stabile Isotope mit den Atomgewichten 12 und 13. Daneben aber finden die Forscher vor allem in biologischen Proben ein weiteres Isotop mit dem Atomgewicht 14, das allerdings radioaktiv ist. Nach 5730 Jahren ist die Hälfte dieses Isotops zerfallen. Diese Halbwertszeit aber ist zu kurz, als dass Kohlenstoff 14 noch aus der Urzeit der Erde stammen könnte und letzte Reste noch übrig geblieben sind. Demnach muss es eine Quelle geben, die Kohlenstoff 14 laufend nachliefert.

 

 Die Entstehung von Kohlenstoff14

 

Kohlenstoff 14 entsteht durch die Einwirkung der ständig auf die Atmosphäre der Erde prasselnden kosmischen Strahlung. Sie erzeugt in den äußersten Luftschichten unter anderem Neutronen, die mit anderen Substanzen nur dann reagieren, wenn sie direkt mit ihnen zusammenstoßen. Dafür aber ist die Wahrscheinlichkeit in der dünnen Höhenluft sehr gering. Erst an der Grenze zwischen Stratosphäre und Troposphäre in rund zehn bis 15 Kilometern Höhe sind solche Ereignisse wahrscheinlich. Meist treffen die Neutronen dabei auf Stickstoffatome, die vier Fünftel der Atmosphäre ausmachen. Sie verwandeln sich bei diesem Zusammenstoß in Kohlenstoff 14, der die gleichen chemischen Eigenschaften wie normaler Kohlenstoff hat, aber andere physikalische Eigenschaften.

 

Kohlenstoff 14 wird daher genau wie der normale Kohlenstoff unter anderem in das Molekül Kohlendioxid eingebaut. Diese Verbindung aber nutzen Pflanzen, um mithilfe des Sonnenlichts Energie zu gewinnen und Biomoleküle aufzubauen. Sie unterscheiden nicht zwischen den Kohlenstoffisotopen und nehmen sie unterschiedslos auf — verwenden also auch den radioaktiven Kohlenstoff für ihre Moleküle. Einen Unterschied aber gibt es: Während in der Atmosphäre laufend Kohlenstoff 14 neu entsteht, erreichen die für diesen Prozess benötigten Neutronen den Erdboden nicht. Während sich in der Atmosphäre ein Gleichgewicht einstellt, in dem sich genauso viel Kohlenstoff 14 neu bildet wie zerfällt, fehlt in der Pflanze der Nachschub am neu gebildeten Isotop, sobald sie einmal abgestorben ist. Das heißt, dort verschwindet dieses radioaktive Isotop langsam. Aus der Geschwindigkeit dieses Schwunds kann ein Wissenschaftler leicht ausrechnen, wann diese Pflanze ihre Lebensprozesse beendet hat.

 

Enthält eine Pflanze nur noch die Hälfte der normalen Kohlenstoff-14-Menge, ist sie zum Beispiel seit 5730 Jahren tot. Findet der Wissenschaftler dagegen nur noch ein Achtel der ursprünglichen Isotopenmenge, endeten die Lebensprozesse vor 17 190 Jahren. Das ist schon das gesamte Geheimnis der Methode von Willard Libby.

 

 Der C-14-Anteil in der Atmosphäre variiert

 

Der Teufel steckt wie immer im Detail. So weiß man inzwischen, dass vor 10 000 Jahren am Ende der letzten Eiszeit zehn Prozent mehr Kohlenstoff 14 in der Atmosphäre war als heute. Seither nahm der Anteil dieses Isotops stetig ab, bis er vor rund 1000 Jahren ein Minimum erreichte. Solche Schwankungen werden durch Veränderungen der Sonnenaktivität ausgelöst, die den größten Teil der kosmischen Strahlung verursacht. Seit der Mensch Kohle und andere fossile Brennstoffe verfeuert, in denen jeder Kohlenstoff 14 längst zerfallen ist, nimmt der Anteil dieses Isotops in der Atmosphäre wieder ab, weil jetzt massenweise Isotop-14-freier Kohlenstoff zusätzlich in die Luft gepumpt wird. Oberirdische Atomwaffenversuche haben dagegen Kohlenstoff 14 in die Atmosphäre ausgebracht und das Gleichgewicht ebenfalls verschoben.

 

Alle diese Änderungen muss der Wissenschaftler natürlich berücksichtigen, wenn er mit der Methode von Willard Libby das Alter einer Probe untersucht. Viele von ihnen kennt er aber gar nicht. Daher vergleicht er die Ergebnisse der Kohlenstoff-14-Methode mit anderen Altersbestimmungen, die zum Beispiel die Wachstumsringe von Bäumen zählen, um das Alter von Holz abzuschätzen. Mit solchen Vergleichen kann man die Libby-Methode demnach eichen. Erst dann liefert sie zuverlässige Alterswerte.

 

Inzwischen wendet jeder Wissenschaftler die Kohlenstoff-14-Methode an, wenn er das Alter einer Probe bestimmen möchte. So wurde der Bundesbrief, der mit der Entstehung der Eidgenossenschaft der Schweizer Kantone verknüpft ist, zwischen 1252 und 1312 geschrieben. Er könnte also tatsächlich Anfang August 1291 entstanden sein, wie die Geschichte der Schweiz überliefert.

 

Will man bestimmen, ob die letzte Eiszeit in Europa und Amerika tatsächlich zur gleichen Zeit endete oder wann der Neandertaler ausgestorben ist, immer greift man auf das auch Radiocarbonmethode genannte Kohlenstoff-14-Verfahren zurück. »Selten hat eine einzelne Erfindung in der Chemie so große Auswirkungen auf das Denken in so vielen verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen gehabt«, schrieb einer der Forscher, der Willard Libby für den Nobelpreis vorgeschlagen hatte.

 

Außer der C-14-Methode machte Libby noch eine weitere wichtige Erfindung: die Atomuhr, die anhand der Schwingungen von Cäsiumatomen die Zeit misst. Seit 1967 beruht die internationale Definition der Sekunde auf diesen Cäsiumschwingungen.