38. Lektion Wie alt ist Ötzi wirklich, oder wie wird eine ...

38. LektionWie alt ist Ötzi wirklich, oderwie wird eine Altersbestimmungdurchgeführt?

BegriffeQuellen natürlicher RadioaktivitätQuellen kosmischer RadioaktivitätC14 AltersbestimmungMassenspektrometrie

1991 haben Wanderer hoch inden Ötztaler Alpen in der Näheder Grenze zwischen Österreichund Italien im Tauwasser einesGletschers eine Mumie entdeckt.Erste Altersbestimmung ergab ca5300 Jahren. Damit ist „Ötzi“ dieälteste bekannte Mumie.Wie wurde die Altersbestimmungdurchgeführt?

Wie alt ist das Universum?

Wie alt ist die Erde?

Kann man heute noch Uran, Thorium, oder 40 K mit extrem langenHalbwertszeiten in den Gesteinen finden?Um festzustellen wie alt Gesteine sind, muss man nicht derenMineralien identifizieren, sondern die chemischeZusammensetzung bestimmen. Gibt es in den Gesteinenradioaktive Isotope mit bekannten Halbwertszeiten?Wie aktiv sind diese Isotope heute noch?

Zerfall von 238 UNeutronenzahlRadiumRadon

Ende der Stabilität von Kernen...NeutronenzahlProtonennzahl...alle Kerne mit größerem Z oder N als Bi-209zerfallen spontan, am häufigsten mit α-Zerfall

Warum findet man heute immer noch Uran, obwohl esschon längst in Blei zerfallen sein sollte?

Isotope undHalbwertszeitenterristischerradioaktiverQuellenIsotop238U235U232ThZerfalls-artAlphaAlphaAlphaHalbwertszeitFolgeprodukt234Th231Th228Ra4,51×10 9 a7,1×10 8 a1,4×10 10 a226RaAlpha222Rn1.6 ×10 3 a222RnAlpha218Po4d40KBeta-40Ca1,26×10 9 a

Radioaktive Vase

Die Welt muss mindestens 4.5 x 10 9Jahre alt sein, sonst dürfte es heutekein Uran und seine Folgeproduktemehr geben

40KDie Tatsache, dass wir heutenoch radioaktiv sind, beweistdass die Welt mehr als 10 9 Jahrealt sein muss.

Die ältesten Gesteine, die man auf derErde findet sind Meteoriten. Dieseweisen ein Alter von 4.6 x 10 9 Jahrenauf. Die ältesten Gesteine auf derErde wurden auf 3.9 x 10 9 Jahrendatiert.Gesteine auf der Erde sind bereitsmehrfach wiederverwertet worden.Beim Abtauchen in große Tiefen undKontakt mit dem radioaktiven Kern, wirddie Uhr von den Isotopen neu gesetzt.Daher erscheinen die„Oberflächengesteine“ der Erde jünger.Die ältesten Gesteine auf der Erdefindet man in der Canadian ShieldGegend, die ca. 3.8 bis 3.96 MilliardenJahre alt sind.

Canadian Shield Area View

Kosmische Quellen radioaktiverStrahlung

Was istkosmischeStrahlung undwo kommt sieher?Kosmische Strahlung sind hochenergetische Teilchen: Protonen,He-Kerne, Elektronen, Myonen, Neutronen.Sie kommen von der Sonne oder vonSupernova-ExplosionenDie meiste kosmische Strahlung wirddurch unser Erdmagnetfeld abgeschirmt.

HalbwertszeitenT 1/2kosmischerzeugterIsotopeIsotop14C3H7BeZerfalls-artBeta-Beta-K-Einf.14N3He7LiFolgeproduktHalbwertszeit5730a12,23a53,4d10BeBeta-10Br1,6×10 6 aKosmisch erzeugte Isotope werden immerwieder neu produziert und dann inGesteinen oder in Organismen eingebaut.Die bekannteste Kernreaktion ist die vonStickstoff mit Neutronen zur Produktionvon 14 C.

Produktionvon 14 CReaktion von Neutronen mitStickstoff-14 -Kernen:+ +1141514n + N⇒N* ⇒ C+0 7 7 611HZerfall von14C14C ist ein Elektronen-Emitter. Mit einerHalbwertszeit von 5730 Jahren zerfällt 14 Cwieder zurück in Stickstoff:+1414C* ⇒ N +6 7 −01e

14CGleichgewichtinder NaturIn lebendem Material wird ständig 14 Cüber CO 2 bzw. über die Nahrungsketteaufgenommen.Es kommt damit zu einem mittlerenGleichgewicht für das Verhältnis von14C/ 12 C= 1.3x10 -12 .In einem Gramm Kohlenstoff sind6.5x10 10 radioaktive 14 C-Kerne,enthalten.Zahl der Zerfälle pro GrammKohlenstoff ca.13.5 Zerfälle/Minute

1946 führte Willard Frank Libby die14C – Methode zur Altersbestimmungvon Fossilien ein.Willard FrankLibbyNobelpreis fürChemie 1960Die 14 C – Methode wird allgemeinüblicherweise auch (nicht ganzkorrekt) C14-Methode genannt.

Kohlenstoff-datierungNach Tod und Verwesungwird kein Kohlenstoff mehrausgetauscht. Damit nimmtdie Zahl der Zerfälle stetigab.Die Zahl der Zerfälle proMinute sagt uns wie alt einKnochen ist.2000 AC3730 BC9460 BC15190 BC20920 BC

C14 SchwankungC14 Produktionsrate variiert mit derZeit wegen C zeitlicher Schwankungender kosmischen Strahlung. Diekosmische Strahlung hängt stark vonder Zahl der SupernovaeExplosionen ab, vom Sonnenwindund von der Abschirmung durch dasErdmagnetfeld. Außerdem habenAtomexplosionen Einfluss auf dieC14 Konzentration in derAtmosphäre.Daher reicht die C14 Methode zurAltersbestimmung alleine nicht ausund muss durch geologische undgeomagnetische Daten ergänztwerden.

Die C14 Methode ist am besten auf Fossilien anwendbar, diezwischen 500 und 50000 Jahren alt sind.Bei alten Proben ist die β-Aktivität sehr gering. Man muss sehrlange zählen um eine hinreichende statistische Genauigkeitvon ca. 1% zu erzielen.Anstatt den β-Zerfall zu zählen, kann man mit höhererGenauigkeit und wesentlich schneller das 14 C/ 12 C Verhältnismit einem Massenspektrometer bestimmen. Dies giltinsbesondere für sehr alte und sehr kleine Proben.Um z.B. eine 30000 Jahre alte Probe mit einem 1g Kohlenstoffauf 1% Genauigkeit zu datieren, muss man 500 Stundenzählen. Im Gegensatz dazu kann man mit demMassenspektrometer 1 mg Probe innerhalb nur einer Stundemit der gleichen Genauigkeit bestimmen.

ZusammenfassungC14 wird aus N14 durch Neutroneneinfang gewonnenC14 wird in den lebenden Körper mit einer konstantenHäufigkeit eingebautC14 hat eine Halbwertszeit von 5730 JahrenMit der C14 Methode kann man das Alter vonFossilien zwischen 500 und 50000 Jahren bestimmenAnstatt die β-Zählrate zu messen, kann man schnellerund mit höherer Genauigkeit das C14/C13/C12Verhältnis mit einem Massenspektrometer bestimmenund daraus das Alter bestimmen