Geschiedenis van de radiometrische datering

De geschiedenis van de radiometrische datering is in de 19e eeuw begonnen. De ouderdom van de Aarde was toen nog een groot raadsel in het natuuronderzoek. Er werd aangenomen dat de Aarde hooguit een tiental miljoen jaren oud kon zijn.

De vooraanstaande natuurkundige William Thomson, Lord Kelvin, berekende aan de hand van experimenten met afkoeling van metalen bollen een ouderdom van ongeveer 20 miljoen jaar.

De ontdekking van radioactief verval door Henri Becquerel in 1896 bracht daar verandering in. Becquerel deed onderzoek aan uranium en ontdekte dat het ioniserende straling uitzendt. Bij het bestuderen van deze straling ontdekte Marie Curie dat de straling alleen afhangt van de hoeveelheid van het element zelf, dus niet van een scheikundig proces of reactie. Ze vond nog drie andere radioactieve elementen, waaronder twee die voorheen compleet onbekend waren.^[1] De natuurkundigen Ernest Rutherford en Frederick Soddy ontdekten in 1903 dat bij verval radioactieve straling vrijkomt, bij de verandering van het ene element in het andere. Uranium vervalt naar radium, dat zelf ook radioactief is, en radium vervalt naar radon. Bovendien kwam bij elke stap in de reeks ook het edelgas helium vrij, waarvan het volume relatief gemakkelijk kan worden gemeten. Men zag in dat het verval van elementen een constant verloop vertoonde. Dit stelde onderzoekers in staat de absolute ouderdom van materialen met voldoende radioactieve elementen te meten.

Rutherford zelf was de eerste die probeerde een gesteente te dateren. Hij mat daarvoor de hoeveelheid helium die bij het verval van uranium vrijkomt en kwam tot de in die tijd opzienbarende ouderdom van 700 miljoen jaar.^[2] Pioniers in de radiometrische datering gebruikten vaak deze heliummethode. De Britse natuurkundige Robert Strutt vergeleek in 1908 de verhouding van uranium en helium in fosfaatvoorkomens van verschillende geologische ouderdom. Hij herkende wel een trend, maar merkte dat de verhouding niet in alle gevallen afnam met de ouderdom. Het probleem is dat helium een vluchtig gas is dat gemakkelijk uit een kristalrooster ontsnapt. De methode geeft daarom vaak een te geringe ouderdom. Rutherfords collega Bertram Boltwood ontdekte in 1907 dat de vervalreeks van uranium eindigt met het element lood. Lood is een veel minder mobiel element dan helium en kan daarom een betrouwbaarder resultaat geven. Boltwood berekende aan de hand van de gemiddelde verhouding tussen uranium en lood de ouderdom van een aantal gesteentes. De Britse geoloog Arthur Holmes verbeterde in 1911 Boltwoods werk door meer verschillende gesteentes en een nauwkeuriger vervalsconstante te gebruiken.

Rutherford publiceerde in hetzelfde jaar zijn atoommodel. In 1913 merkte Soddy dat niet alle thoriumatomen dezelfde massa hadden: hij ontdekte dat elementen verschillende isotopen kunnen hebben. Bij de eerste pogingen tot radiometrische datering was men zich hier nog niet van bewust: het waren maar scheikundige dateringen. Omdat de vervalsnelheid per isotoop verschilt is het voor nauwkeurige datering van belang te weten welke isotoop men meet. Het lukte R.W. Lawson in 1914 de massa's van verschillende isotopen van lood te bepalen. Dit maakte het mogelijk onderscheid te maken tussen lood afkomstig van verval van uranium, verval van thorium en normaal lood dat altijd in de Aarde aanwezig is. Wat men op dat moment nog niet wist was dat dit lood voor een deel uit het verval van een andere isotoop van uranium komt. Deze isotoop uranium-235 werd pas in 1929 door F.W. Aston ontdekt.

De oudste metingen met de uraan-loodmethode lagen rond de 1650 miljoen jaar, maar Holmes vermoedde dat de Aarde iets eerder was ontstaan. Anderen bleven pleiten voor een jongere leeftijd. John Joly schreef in 1925 dat de basis van het Cambrium tussen 160 en 240 miljoen jaar oud was.^[2] Fritz Panetz gebruikte in 1928 de heliummethode om de ouderdom van gesteente uit het Tertiair en Trias te bepalen en kwam tot 26 en 182 miljoen jaar.^[2] De eerste radiometrische dateringen waren weinig nauwkeurig, maar de tijd geleden door Holmes en Boltwood bepaald vielen wel in de juiste orde van grootte. De enorme ouderdom die de radiometrie opleverde gaven een nieuw beeld van de vorming en geschiedenis van het heelal en de Aarde. De problemen met de heliummethode maakten alle radiometrische dateringen verdacht. Schattingen aan de hand van sedimentatiesnelheid of de snelheid van het oplossen van zout in de oceaan gaven bovendien een veel lagere ouderdom. Het duurde daarom tot zeker halverwege de 20e eeuw tot radiometrische datering algemeen werd aanvaard.

Terwijl de heliummethode niet betrouwbaar werd geacht, was het probleem met de uraan-thorium-loodmetingen dat dit zeldzame metalen zijn. Er komt in het meeste gesteente vrijwel geen uranium voor en de methode met uranium was daarom ongeschikt voor deze vorm van datering. Daarin kwam geleidelijk verandering door de ontwikkeling van betere massaspectrometers. Het werk van Aston was mogelijk dankzij aanzienlijk verbeterde apparatuur. De ontdekking van uraniumisotopen stelde onderzoekers in staat met hetzelfde element twee waardes voor hetzelfde monster te meten. Rutherford berekende dat, aangenomen dat beide isotopen in het begin niet aanwezig waren, het heelal ongeveer 3400 miljoen jaar oud moest zijn.

Dit leek in tegenspraak met ontdekkingen in de astronomie: in de jaren 1930 toonde het werk van Edwin Hubble aan dat het heelal uitdijdt en formuleerde Georges Lemaître de theorie van de oerknal. Men berekende dat de oerknal 1240 miljoen jaar geleden plaatsvond: zelfs korter geleden dan de oudste dateringen op dat moment. Pas in de jaren 1950 raakte de hubbleconstante beter bekend zodat de schatting van de leeftijd van het heelal werd bijgesteld tot 10 tot 15 miljard jaar.