Wie eine archäologische Sensation (Mumienfund in Pakistan) zu einem modernen Kriminalfall wurde -

ein Beispiel für die Leistungsfähigkeit der Altersbestimmung am Erlanger Tandembeschleuniger mittels der Beschleuniger-Massenspektrometrie

Dr. Gerhard Morgenroth, Physikalisches Institut, Universität Erlangen-Nürnberg

• Der Fund einer Mumie in Pakistan

• Die Radiokarbonmethode

• Die Beschleunigermassenspektrometrie

• Die Datierung der Mumie

• Das Ergebnis und deren Interpretation (Sensation oder Mordfall ?)

Wali Riki

http://www.geocities.com/dr_asma2001/

Die Entstehung von 14C

Der radioaktive Zerfall von 14C

- - Zerfall

Halbwertszeit T1/2: 5730 Jahre

14C 14N + e- (Elektron) + (Antineutrino)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 5000 10000 15000 20000 Jahre

14C

-Ge

ha

lt [p

MC

]

5730 a2500 a 11460 a

Das exponentielleZerfallsgesetz

K(t) = K0 exp ( -t ln(2) / T1/2 )

Die Voraussetzungen zur Radiokarbonmethode

Chemische Extraktion des unveränderten Materials (z.B. Kollagen aus Knochen),bzw. Entfernung von z.B. Karbonate CaCO3

Die sogenannte Isotopenfraktionierung kann man über Messung des 13C/12C-Verhältnisses exakt bestimmen und damit den 14C-Gehalt korrigieren.

14C-Konzentration in der Atmosphäre variiert leicht in Abhängigkeit von Erd- und Sonnen-magnetfeld, Sonnenaktivität etc. Der Verlauf der 14C-Konzentration in den letzten 14.000 Jahren ist durch dendrochronologische Untersuchungen bekannt.

Weltweite gleichmäßige Verteilung von 14CO2 in der Atmosphäre innerhalb kürzester Zeit.

Keine KontaminationDas untersuchte Probenmaterial darf zwischen Absterbezeitpunkt und Probenuntersuchung keinen weiteren Kohlenstoffaustausch haben.

Räumliche InvarianzIn allen gleichzeitig an verschiedenen Orten lebenden Organismen herrscht dieselbe 14C-Konzentration.

Isotopische InvarianzIn allen gleichzeitig an einem Ort lebenden unterschiedlichen Organismen nehmen die Isotope 12C, 13C, 14C mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auf.

Zeitliche InvarianzIn der gesamten Vergangenheit war die 14C-Konzentration konstant.

Die Dendrochronologie

Klimaschwankungen (feuchte oder trockene Jahre, warme oder kühle Sommer) können sich im Wachstum des Baumbestandes eines einheitlichen Klimagebietes gleichmäßig auswirken. Es ergeben sich unregelmäßige Baumjahresringe, die in der am Querschnitt eines Stammes ablesbaren Ringfolge als Zeitmarken auffallen. Durch Aneinanderreihung von Jahresringen alter Bäumen bekannten Alters und durch Überlappung mit Jahresringen von historischen und archäologischen Holzfunden (Moorbäume) läßt sich eine lückenlose Jahresringfolge über die letzten 14.000 Jahre erstellen. Somit ist man im Besitz von Eichmaterial bekannten Alters mit deren Hilfe die 14C-Konzentration in der Atmosphäre über die letzten 14.000 Jahre bestimmt werden konnte.

Nachweis über radioaktiven Nachweis über radioaktiven 1414C- ZerfallC- Zerfall

(Zählrohr Methode, Libby 1949)(Zählrohr Methode, Libby 1949)

Direkte MessungDirekte Messung

(Beschleunigermassenspektrometer, 1979)(Beschleunigermassenspektrometer, 1979)

Messung der Radioaktivität

A(t) = -dN/dt = A0 exp ( -t ln(2) / T1/2)

Messung des Isotopenverhältnisses

(14C/12C) = K(t) = K0 exp ( -t ln(2) / T1/2)

Zeit t, seit der der Organismus nicht mehr am Kohlenstoffkreislauf teilgenommen hat

Beispiel: 1 mg moderner Kohlenstoff (100 pMC, K0 = 14C/12C =1,2*10-12 )

enthält 6*107 14C-Atome

Nachweis von 2000 Nachweis von 2000 1414C-Atome in 1 Min.C-Atome in 1 Min.

Vorteil: kurze Meßzeiten

kleinste Probenmengen

Nachteil: aufwendige teure Apparatur

EinEin 1414C-Zerfall pro StundeC-Zerfall pro Stunde

Vorteil: billige Apparatur

Nachteil: lange Meßzeiten

große Probenmengen

Voraussetzung: A0 bekannt (14C/12C) t=0 = K0 bekannt

Probleme der konventionellen Massenspektrometrie

„konventionell“ < Teilchenenergie 80 keV, positiv geladene Ionen werden in einem Magneten aufgrund ihrer Masse unterschiedlich stark abgelenkt

Konzentration des nachzuweisenden Isotops (z.B. 14C, 10-12 - 10-15) ist umviele Größenordnungen niedriger als der Untergrund

Untergrund zu 14C:

IsobareIsobare: 14N+

Moleküle: 13CH+, 12CH2+, 7Li2

+

mehrfach geladen: 28Si2+, 12C16O2+, 12C13CH32+

Massen- bzw. Energieauflösung ist nicht hoch genug um Massendefekt nachzuweisen bzw. vom Untergrund deutlich zu trennen

Die Erlanger AMS-Anlage

Die Erlanger AMS-Anlage

Die Funktionsweise des Tandembeschleunigers

Van de Graaf Generator

Tandembeschleuniger

Elektrisch isolierendes Band

Elektrisch positiv geladenes Terminal

5 Millionen Volt

Aufsprüh-bürsten

.

Die Erlanger AMS-Anlage

Die Datennahme

Die Datenauswertung

Atombombenpeak-Kurve

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

1930 1935 1940 1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000Jahr

pMC

(P

erce

nt M

oder

n C

arbo

n)

Ergebnis der 14

C-Messung an Matte

Kollagen aus Knochen 115,08 pMC

Muskel und Hautgewebe 111,02 pMC