A szénnek 2 stabil izotópja van, a \(\mathrm{^{12}C}\) és a \(\mathrm{^{13}C}\). A természetes szén stabil izotópjai között $99\%$ a \(\mathrm{^{12}C}\) aránya, és csupán $1\%$-nyi rész jut a \(\mathrm{^{13}C}\) izotópra. (Arról, hogy miért ennyire egyenlőtlen ez az arány, itt lehet olvasni.)
A szénmagok tehát lehetnek 12-es illetve 13-as tömegszámú stabil izotópok, de emellett létezik 14-es tömegszámú szén is, ami viszont már nem stabil magú, azaz radioaktív izotóp, emiatt őt radiokarbonnak nevezzük. A \(\mathrm{^{14}C}\) izotóp negatív béta-bomló:
\[\mathrm{^{14}C}\to \mathrm{{}^{14}N+e^-+{\overline{\nu}}_e}\]
felezési ideje 5730 év, így a Föld 4,5 milliárd évvel ezelőtti keletkezése óta a kezdetben meglévő \(\mathrm{^{14}C}\) magok már rég mind elbomlottak. Ha van a természetben \(\mathrm{^{14}C}\), akkor az csak olyan lehet, ami nem olyan rég keletkezett, hogy a bomlási révén még nem fogyott el.
Megjegyzés: elvben érkezhetne \(\mathrm{^{14}C}\) a Földre a világűrből is, de a kozmikus sugárzásal hozzánk érkező részecskék összetétele:
| proton (hdrogén atommag) | 90% |
| elektron | 9% |
| nagyobb rendszámú atommagok | 1% |
a nagyobb rendszámú atommagok között ugyan van szén, de az szinte kizárólag \(\mathrm{^{12}C}\), tehát \(\mathrm{^{14}C}\) nem érkezik kívülről a Földre.
Tehát ami \(\mathrm{^{14}C}\) van a Földön, az itt keletkezik, méghozzá az alábbi reakcióban:
\[\mathrm{_{\ \ 7}^{14}N+n^0\to {}_{\ \ 6}^{14}C+p^+}\]
Vagy a magfizikában szokásos jelölésekkel, ahol legelőre a bombázott magot írják, leghátulra a keletkező végterméket, közéjük pedig zárójelben a bombázó részecskét és a kirepülőt:
\[\mathrm{_{\ \ 7}^{14}N(n,p)_{\ \ 6}^{14}C}\]
Ehhez a folyamathoz van \(\mathrm{_{\ \ 7}^{14}N}\), hiszen a légkör molekuláinak $78\%$‑a \(\mathrm{N_2}\) nitrogén, és annak $99,6\%$‑a \(\mathrm{_{\ \ 7}^{14}N}\) izotóp. De a reakcióhoz kell egy \(\mathrm{n^0}\) neutron is. Ez honnan van? A kozmikus sugárzás fenti összetétele alapján nem tartalmaz neutronokat. A neutronokat a kozmikus sugárzás protonjai termelik, szintén a légköri nitrogénből:
\[\mathrm{_{\ \ 7}^{14}N+p^+\to {}_{\ \ 8}^{14}O+n^0}\]
A légkör felső részében tehát keletkezik \(\mathrm{^{14}C}\), ami a levegő oxigéntartalmával \(\mathrm{^{14}CO_2}\) radioakarbonos széndioxid-molekulákat hoz létre. Ezek a gázmolekulák a légáramlatokkal, diffúzióval szétoszlanak a teljes légkörben, vagyis lejutnak a földfelszín közelébe, továbbá szétterjednek a természetes vizekben is. A \(\mathrm{^{14}C}\) magok ugyan folyamatosan elbomlanak, de a felső légkörben a szüntelen kozmikus sugárzás miatt folyamatosan keletkeznek is. A két folyamat eredményeképp (hosszabb távon) beáll egy egyenúly, ezért a légkörben a \(\mathrm{^{14}C}\) mennyisége nem változik. A szénizotópok arányai:
| szénizotóp | aránya | $\%$‑ban kifejezve |
| \(\mathrm{^{12}C}\) | \(0,99\) | \(99\%\) |
| \(\mathrm{^{13}C}\) | \(0,01\) | \(1\%\) |
| \(\mathrm{^{14}C}\) | \(10^{-12}\) | \(10^{-10}\%\) |
Vagyis a légkörben nagyjából 1000 milliárd szénatomból csupán egyetlen, ami radioaktív \(\mathrm{^{14}C}\), ez alapján a teljes légkörben összesen csupán $50\ \mathrm{tonna}$ \(\mathrm{^{14}C}\) található.
A zöld növények a szervezetük felépítéséhez szükséges szenet a légkör szén-dioxidjából szerzik, így a légkörben kóválygó radioaktív szénatomokat (tudtukon kívül) beépítik magukba. A növények sorsa pedig a táplálékláncban gyakran az, hogy valami állat megeszi őket, így a radiokarbon a cseperedő növényevő állatok testének felépítésében is részt vesz, amiket aztán megesznek a ragadozók, illetve a mindenevő ember mindenkit megeszik. Az evés persze folyamatos, így amíg a növény illetve állat él, addig a szervezetében a radiokarbon hiába bomlik szüntelenül, az anyagcsere miatt folyamatosan friss (állandó radiokarbon arányú) szenet vesz fel, és azzal cseréli le a régit. Ezért az élőlények élete során a testükben a radiokarbon aránya nagyjából állandó értéken marad. Nem beszélve arról, hogy az 5730 éves felezési időhöz képest a legtöbb álőlény élettartama jóval kisebb, így a bomlások miatti mennyiségcsökkenés még utánpótlás nélkül is elenyésző.
Tehát az élőlényekben állandósul a szénizotópok aránya: 1 grammnyi, élő szervezetből származó szénben mindig ugyanannyi radiokarbon van, így annak aktivitása is fix érték, kb. 13,6 bomlás másodpercenként.
Amikor aztán végre eljön az igazság pillanata, és az élőlény lelke az örök vadászmezőkre távozik, onnantól megszűnik a friss radiokkarbon utánpótlás, így a testében lévő \(\mathrm{^{14}C}\) magok a bomlási törvény szerint - vagyis jól ismert ütemben - exponenciális függvény szerint fogyatkozni kezdenek. Például 5730 év múlva már csak a felük lesz meg. A radiokarbonos kormeghatározás módszer lényege (leegyszerűsítve) tehát az, hogy kémiai úton kiszedünk a mintából 1 grammnyi széntartalmat (aminek egy része radioaktív \(\mathrm{^{14}C}\) izotóp), és megvizsgáljuk, hogy az összes szénnek hány %-a \(\mathrm{^{14}C}\).
Ehhez az egyik lehetőség, hogy megmérjük az 1 grammnyi szén aktivitását. Ha például az aktivitása $A=6,8\ \mathrm{Bq}$, az azt jelenti, hogy az élő testekben kialakuló $13,6\ \mathrm{Bq}$ egyensúlyi érték fele, vagyis egyszer feleződött le, tehát a minta gazdájaként egykoron élt lény 5730 évvel ezelőtt pusztult el.
A szénizotópok arányának meghatározásához egy másik módszer az ún. "magfizikai gyorsítóval kombinált tömegspektrométer" berendezés. Ugyan a készülék igen drága, de nagyon kevés minta elegendő hozzá (néhány milligramm), és az elemzés pár perc alatt lezajlik.
A radiokarbonos kormeghatározási módszert úgy lehet kalibrálni, hogy szerzünk olyan mintákat, melyekben az "elhunyt élőlény" korát más, független forrásból ismerjük. Például fák belső (már nem élő) évgyűrűiből, vagy egy olyan uralkodó számára fából készített tárgy vizsgálatával, akinek az uralkodási ideje jól ismert.
Ezt a módszer kifejlesztésekor meg is tették, és az eredmények biztatóak voltak:
A szénizotópos kormeghatározási módszer (angolul carbon dating, radiocarbon dating, carbon-14 dating) pár 100 évtől kb. 50 ezer évig használható. Az amerikai Libby dolgozta ki az 1940-es évek végén, és 1960-ban kapott érte kémiai Nobel-díjat. A radiokarbon módszer egyik elhíresült esete volt 1988-ban a torinói lepel vizsgálata (mely a legenda szerint Jézus holttestének lenyomatát őrző lenvászon). Az eredmények szerint a növényi minták 1200-1300 körülre datálhatók, ugyanakkor később számos módszertani kétely merült fel a vizsgálattal kapcsolatban, a Vatikán pedig azóta nem engedélyezett új mintavételt.
A radiokarbon eljárás pontosságát rontó tényezők:
- a felső légkörben zajló \(\mathrm{^{14}C}\) termelődés üteme nem teljesen állandó, egyrészt mert a napfolttevényenység ciklikus, másrészt a Föld mágneses mezeje is változik (mely "terelgeti" a kozmikus eredetű részecskéket)
- a légkör teljes \(\mathrm{CO_2}\) tartalma sem állandó, sok okból.
1. A földi átlaghőmérséklet ingadozik, márpedig a melegebb víz (óceánok) kevesebb szén-dioxidot tárolnak magukban oldott állapotban, mint a hidegebbek, vagyis klimatikus lehűléskor a légköri \(\mathrm{CO_2}\) egy részét "elnyelik" az óceánik, aztán melegedéskor visszajuttatják a légkörbe.
2. Az emberiség által elégetett fosszilis tüzelőanyagok évmilliókkal ezelőtti növények maradványai, vagyis bennük a radiokarbon már elbomlot, így az elégetésükkel "inaktív"(nem radioaktív) szén jut a légkörbe, vagyis a radiokarbon szempontjából folyamatosan "hígul" a légkör széntartalma. Márpedig az ipari forradalom óta nagyjából másfélszeresére nőtt a légköri szén-dioxid mennyisége ($280\ \mathrm{ppm}$‑ről $400\ \mathrm{ppm}$‑re) - A légkörben nemcsak a kozmikus sugárzás "termel" \(\mathrm{^{14}C}\) izotópokat: a hidegháborús légköri nukleáris kísérleti robbantások hatására nagyjából megduplázódott a légköri radiokarbon mennyisége.
- A vizsgálandó lelet, minta az évszázadok, évezredek során sok különböző okból szennyeződhet, így nem azt mérjük, amit akarunk.
- Mivel a módszerhez kevés minta szükséges, nehéz biztosítani, hogy a vizsgált minta reprezentatív legyen a vizsgált testhez.