Altersbestimmung mit radioaktiven Isotopen

M. Peplonski

Physikalisches Proseminar, 2013

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Inhalt

1 Radioaktivität

2 Zerfallsgesetz

3 Analyse und Isotopentrennung

4 Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

5 Quellenangaben

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Radioaktivität

lediglich Kern relevant

setzt sich aus Protonen (Z) und Neutronen (N) zusammen

AZ XN üblich: AX (A = Z + N)

Isotope: Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicherNeutronenzahl

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Radioaktivität

neben stabile gibt es radioaktive Isotope

meiste Isotope künstlich erzeugt

wenige natürliche Isotope haben derart große Halbwertszeiten,dass sie im Laufe der Erdgeschichte noch nicht zerfallen sind:40K , 87Rb, 147Sm, 232Th, 235U, 238U

werden routinemäßig für radiometrische Altersdatierungherangezogen

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Radioaktivität

Gesamtheit der Nuklide in Nuklidkarten verzeichnet

x-y-Darstellung, wobei Anzahl der Neutronen auf der x-Achse undder Protonen auf der y-Achse sind

enthält weitere Informationen: stabil oder instabil, ggf. Zerfallsart,Halbwertszeit, natürliches Vorkommen

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Radioaktivität

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Radioaktivität

Beta-Minus-Zerfall

n→ p + e− + ν̄e

AZ X → A

Z+1Y + e− + ν̄e

hauptsächlich bei Neutronenüberschuss

Elektron und Antineutrino verlassen Kern, da sie nicht der starkenWechselwirkung unterliegen

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Radioaktivität

Beta-Plus-Zerfall

p → n + e+ + νe

AZ X → A

Z−1Y + e+ + νe

Protonenüberschuss

nah verwandte Zerfallsart des Elektroneneinfangs

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Radioaktivität

Alpha-Zerfall

AZ X → A−4

Z−2Y + 42He + ∆E

letztes stabiles Isotop: 20983 Bi

ab dieser Grenze nur sehr kurzlebige Isotope

lediglich 232Th, 235U und 238U sind noch nicht vollständig zerfallen

Weg von Mutterisotop zum stabilen Tochterisotop bildet ganzeZerfallsreihen

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Radioaktivität

A Reihe Mutterkern T1/2

4n Thorium 232Th 1,4 · 1010a4n +1 Neptunium 237Np 2,14 · 106a4n +2 Uranium 238U 4,47 · 109a4n +3 Aktinium 235U 7,04 · 108a

Tabelle: Natürliche Zerfallsreihen

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Zerfallsgesetz

Formel zur Bestimmung des Alters:

t = 1λ · ln

(D∗

N + 1)

t : Zeit seit Beginn des Zerfallsλ : ZerfallskonstanteD∗ : Menge des neu entstandenen TochterisotopsN : Restmenge des Mutterisotops

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Zerfallsgesetz

Wesentliche Voraussetzungen:

zum Zeitpunkt t = 0 galt D∗ = 0

isotopisches System muss geschlossenes System darstellen(keine Abfuhr/Zufuhr von Material von N oder D∗)

Zerfallskonstante muss möglichst genau bekannt sein

N und D∗ müssen möglichst genau bestimmt werden

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Analyse und Isotopentrennung

Gesteinsprobe wird im Säureaufschluss, meist Flusssäure, gelöst

Trennung der Elemente erfolgt in chromatographischen Säulen

Lösung wird eingedampft und die ausgewählte Probe somit aufein Filament aufgebracht

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Analyse und Isotopentrennung

Probe wird durch das Filament stark erhitzt und dadurch ionisiert

Ionen werden in einem Hochspannungsfeld beschleunigt undfokussiert

Ionenstrahl gelangt in ein Trennrohr mit einem Magneten(Magnetfeldlinien senkrecht zur Flugbahn der Ionen)

verschiedene Kollektorbecher registrieren ankommende Ionen

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

1. K-Ar-Methode (200 - 800 Ma)

1935 entdeckte der Physiker Nier das natürliche auftreten von 40K

1948 erbrachte er den Nachweis, dass geologisch alte Minerale40Ar enthalten

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

Voraussetzung, dass kein Ar zu t = 0 vorhanden ist, erfüllt

entgast wie alle Edelgase ab gewisser Temperatur aus einemgeologischen System

"Radiometrische Uhr" wird unterhalb der Schließungstemperatursozusagen auf 0 gestellt

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

Beispiel - Falkenberger Granit:

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

Proben unterschiedlicherLokalitäten

Muscovit und Biotit wurden alsreine Konzentrate abgetrenntund analysiert

K-Ar-Methode war bis Mitte80er Jahre gängigsteDatierungsmethode

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

2. Ar-Ar-Methode

Weiterentwicklung der K-Ar-Methode

40K wird durch Neutronenbestrahlung in einem Kernreaktorin 39Ar überführt

39Ar und 40Ar können in einem Massenspektrometer durch eineneinzigen Messvorgang parallel analysiert werden

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

Durchaus größerer Vorteil: Stufenaufschluss

Probe wird nach und nach stückweise verdampft

kann anschließend auf inhomogene Ar-Verteilung überprüftwerden (Ererbtes Ar, Öffnung des Systems)

wenn Ar-System vollkommen homogen und ungestört, ergibt sichfür jede Aufheizstufe dasselbe Alter

teurer und aufwändiger als K-Ar-Methode, aber genauer undAussage über Zuverlässlichkeit

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

3. Radiokarbonmethode (300 - 60.000 a)

1946 vom Chemiker und Physiker Libby entwickelt

Kohlenstoffgehalt in der Luft:

12C : 13C : 14C :

98,89 % 1,11 % 10−10 %

lediglich 14C ist radioaktiv (T1/2 = 5730a)

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

Verhältnis zwischen 12C und 14C bleibt konstant

ständige Neubildung in oberer Schicht der Erdatmosphäre durchkosmische Strahlung

147 N + n→ 14

6 C + p

bis zum Tod nehmen pflanzliche und tierische Zellen sowohl 12Cals auch 14C auf

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

Beispiel 1 - Turiner Grabtuch:

Leinentuch zeigt Vorder- undRückseite eines Menschen

wird von vielen Gläubigen alsdas Tuch verehrt, in demJesus begraben wurde

Radiokarbonmethode ergabErstehungszeitraum von 1260bis 1390

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

Beispiel 2 - Ötzi:

1991 von Wanderer in den Ötztaler Alpen entdeckt

erste Annahme, dass der Mann vor wenigen Jahren starb

Radiokarbonmethode ergab ein Alter von ca. 5000 Jahren

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Ausgewählte Methoden der Altersdatierung

4. Alter der Erde

erstmals 1970 wurde ein zuverlässliches Alter auf Basisradiometrischer Datierung von Meteoriten ermittelt

Meteoriten sind bis auf wenige Ausnahmen Bruchstücke ausunserem Sonnensystem

erlebten kaum Differentiationsereignisse

zahlreiche Meteoriten wurden mit Sm-Nd-Methode untersucht undergaben im Durchschnitt ein Alter von 4,55 bis 4,60 MilliardenJahren

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Quellenangaben

M.A. GEYH (1980): Einführung in die Methoden derphysikalischen und chemischen Altersbestimmunghttp://www.dmg-home.de/pdf/Radioakt.pdfhttp://www.wissenschaft-online.de/abo/lexikon/physik/409http://www.bio.vobs.at/evolution/e04-alter.htmM. PEPLONSKI: Mitschrift zur Vorlesung Prof. Schnack zumThema "Kernphysik". Wintersemester 2012/2013. UniversitätBielefeld

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Quellenangaben

Bilderverzeichnis:

Nuklidkarte (S. 6):http://de.wikipedia.org/wiki/Nuklidkarte

Zeitstrahl (S. 15): http://www.wissenschaft-online.de/abo/lexikon/physik/409

Kalium, Nuklidkarte (S. 16):http://en.wikipedia.org/wiki/Table_of_nuclides40K , Zerfallsschema (S. 16):http://de.wikipedia.org/wiki/Kalium

Erzkarte Falkenberg (S. 18), Mineralanalyse (S. 19): I. WENDT, H.KREUZER, P. MÜLLER, H. SCHMID (1986): Gesamtgesteins-und Mineraldatierungen des Falkenberger GranitsTuriner Grabtuch (S.24): http://wegwahrheitleben.wordpress.com/category/valtorta-selbstzeugnis/

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