Physikalisches: Unterschied zwischen den Versionen

Grundlagen der C14-Methode

Ziel der C14-Methode ist es, das Alter eines Gegenstandes zu bestimmen. Diese Methode eignet sich gegenüber den anderen Datierungsmöglichkeiten besonders wegen der leichteren Durchführung und eines besseren Messergebnisses. Doch zuerst muss man wissen was ¹⁴C ist.

¹⁴C ist ein Isotop des Atoms ¹²C. Es entsteht, wenn kosmische Strahlung (Neutronen) auf die Erdatmosphäre und dort Stickstoff- Isotope ¹⁴N treffen. Es gibt eine Kernreaktion, in der ¹⁴N zu ¹⁴C unter Abgabe eines Protons zerfällt.

¹⁴N + N ---------> ¹⁴C+ P

N=Neutron

P=Proton

Es entsteht ¹⁴C, das wieder zu Stickstoff zerfällt.

Das nun entstandene ¹⁴C ist radioaktiv und zerfällt nach einer Halbwertszeit von ca. 5730 Jahren unter Abgabe eines Elektrons (Beta-Zerfall) zu ¹⁴C.

Aufgrund von Luftströmungen verteilt sich das ¹⁴C auf der ganzen Welt. Es reagiert mit dem Sauerstoff in der Atmosphäre zu ¹⁴CO₂. Durch die von Pflanzen betriebene Photosynthese gelangt das ¹⁴C nun in organisches Material. So nimmt auch der Mensch immer, wenn er etwas isst, einen winzig kleinen Teil ¹⁴C auf, es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen ¹²C und ¹⁴C ein.

Sobald das Lebewesen jedoch stirbt, verändert sich das Verhältnis zwischen ¹⁴C und ¹²C in seinem Körper. Da die Halbwertszeit des Kohlenstoffisotops bekannt ist, kann man nun durch Messungen der radioaktiven Zerfälle auf das Alter der Probe schließen. Mit Hilfe der Massenspektrometrie und der Zählrohrmethode kann man das Verhältnis zwischen ¹²C und ¹⁴C herausfinden. Dies ist vor allem sinnvoll bei der Datierung von Werkstoffen, da sich das Problem ergibt, dass man mit möglichst wenig Material eine Datierung durchführen soll.

Die Zählrohrmethode nach Libby

Der direkte Nachweis des radioaktiven Zerfalls in einem Geiger-Müller Zählrohr funktioniert so: Zuerst muss die Probe verbrannt werden, es entsteht ein so genanntes Zählgas, das aus CO₂ besteht. Je nach dem, ob ¹²C oder ¹⁴C daran beteiligt war, ist dieses mehr oder weniger radioaktiv. Der radioaktive Zerfall ist ein statistischer Prozess, d.h. es zerfallen einmal mehr, einmal weniger Atome. Um die Zerfallsrate genau bestimmen zu können muss man daher möglichst viele Zerfälle messen. Um eine Genauigkeit von ±1% zu gewährleisten müssen 10 000 bis 40 000 Zerfälle erfasst werden. Ebenso muss das Zählrohr gut gegen die natürliche Strahlung abgeschirmt sein. Da ¹⁴C aber eine vergleichsweise lange Halbwertszeit hat und die ¹⁴C-Konzentration sehr gering ist erfordert die Zählrohrmethode große Probenmengen (einige Gramm) und lange Messzeiten, für eine dementsprechende Genauigkeit. Dadurch ergeben sich unter Umständen Messzeiten, die sich in der Größenordnung von Tagen und Wochen bewegen.
Vorteil: Relativ kleine, einfache und kostengünstige Apparatur.
Nachteile: Wegen der großen Halbwertszeit von radioaktivem Kohlenstoff finden nur wenige Zerfälle statt, sodass lange Messzeiten erforderlich sind und große Probemengen benötigt werden (mindestens einige Gramm).

Die Beschleuniger-Massenspektrometrie

Die Beschleuniger-Massenspektrometrie ist ein technisches Verfahren mit dem man Massen-/ Isotopenverhältnisse, hier natürlich ¹⁴C, eines Werkstoffes bestimmen kann. Der Vorteil dieser Methode ist, dass man auch mit einer sehr kleinen Menge, der zu messenden Substanz, ein genaues Ergebnis erzielt.

Bei der Spektrometrie wird die zu behandelnde Substanz zunächst in kleiner Menge und in Form von ionisiertem Gas in einen Teilchenbeschleuniger gegeben. Im Beschleuniger wird die Substanz durch ein in Vakuum eingeschlossenes elektrisches Feld beschleunigt. So beschleunigt fliegen die Teilchen in einen sogenannten Massenspektrometer. Dieser besteht aus einem Magneten und einem Detektorsystem, wobei hier der Beschleuniger als Ionenquelle fungiert. Nachdem die Teilchen den Beschleuniger verlassen haben, treten diese in das Magnetfeld des Spektrometers. Dort werden die unterschiedlichen Isotope aufgrund ihrer jeweils spezifischen Flugbahn auch anders abgelenkt. Mit einem Detektor werden die Teilchenstrahlen gemessen, man kann den Stoff charakterisieren und auf den ¹⁴C-Anteil „schließen“. Abschließend wird die Messung mit vorherigen Messergebnissen verglichen und man kann auf diese Art und Weise, wie bei allen anderen Methoden, das Alter des Ausgangsstoffes bestimmen.

Im folgenden Video wird die Massenspektrometrie noch einmal bildlich dargestellt:

Probleme und Schwächen der Radiokohlenstoffdatierung

Der ¹⁴C-Gehalt der Atmosphäre im Verhältnis zum ¹²C-Gehalt variiert, da sich die Sonnenaktivität im Laufe der Geschichte verändert hat. Aus diesem Grund ist es notwendig eine sogenannte Eichkurve zu erstellen. Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass die Methode nicht auf sehr kleine Proben angewendet werden kann, da man einige Gramm ¹⁴C benötigt um den Prozentsatz zu bestimmen. Außerdem zerfällt der Kohlenstoff je nach Ort und Zeitpunkt in verschiedener Geschwindigkeit. Allein dadurch ergeben sich Messfehler von bis zu 300 Jahren. Ein weiteres Problem ist die Radioaktive Verseuchung der Umgebung. Für Proben nach den ersten Atomwaffentests ist die C14-Methode nicht mehr anwendbar, da der Anteil an radioaktivem Material in der Atmosphäre vervielfacht wurde. Außerdem kann man die Methode nur für biologische Objekte wie zum Beispiel Pflanzen oder Tiere verwenden, da nur sie ¹⁴C aufnehmen können.

Weiterführende Links:

1. Wikipedia:Radiokohlenstoffdatierung

2. Facharbeit zur ¹⁴C-Methode:Facharbeit

3. Beispiel ¹⁴C-Methode

Verzeichnis der physikalischen Fachbegriffe/ Physikon