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Altersbestimmung mit radioaktiven Isotopen
M. Peplonski
Physikalisches Proseminar, 2013
M. Peplonski (Universität Bielefeld) Altersbestimmung mit radioaktiven Isotopen 2013 1 / 28
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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