von: Jan Terbrack, Moritz Dreier, Christina Schüttler, Hoang Thanh Nygen und Simon Harhues

Gliederung

Einführung - Was ist die Altersbestimmung?
Es gibt verschiedene Methoden um das Alter von Gegenständen zu bestimmen. Zum Beispiel zählt man Baumringe und kann somit das Alter von über 100.000 Jahren alten Hölzen bestimmen. Auch gibt es eine relative Altersbestimmung bei der man verschiedene Gesteinsschichten miteinander vergleicht. Man misst nicht das wirkliche Alter, sondern nur, ob die Schicht älter oder Jünger ist. In unserem Beitrag soll es aber nur um radioaktive Altersbestimmungen gehen.

Radiometrische Methoden
Alle radiometrischen Altersbestimmungsmethoden arbeiten auf die gleiche Art. Mit der Entdeckung der Radioaktivität (Becquerel) wurde auch bekannt, dass radioaktive Atome zerfallen. Diese Halbwertszeit macht man sich bei der Altersbestimmung zu nutze. Man ermittelt das Verhältnis der radioaktiven Atome zur deren stabilen Isotopen. Daraus und mit dem Wissen der Halbwertszeit des Stoffes kann man dann das Alter der Probe berechnen.

C14-Methode / Radiokarbonmethode
Die Radiokarbon-Methode ist eine Methode, die sich die natürliche Radioaktivität zunutze macht. Mit dieser Methode ist es möglich alle organischen, kohlenstoffhaltigen Materialien in einem Zeitraum von 1.650 bis ungefähr 40.000 v.Chr. relativ exakt zu datieren. Sie wurde von dem amerikanischen Chemiker und Geophysiker Willard F. Libby entwickelt und steht seit 1946 der Wissenschaft zur Verfügung und hat die Bezeichnung Radiokarbon- oder Kohlenstoff-14-Methode.

Von unserer Sonne und anderen Sternen des Universums trifft ständig eine hochenergetische Strahlung auf die Atmosphäre der Erde. Diese kosmische Strahlung besteht zum großen Teil aus Protonen, a- Teilchen, ?-Quanten und Elektronen, die unter der Primärstrahlung zusammengefasst sind. Diese Strahlung hat so hohe Energie, dass sie Stickstoff- und Sauerstoffatome beim Aufprall zerstören, sobald sie auf die obersten Schichten der Erdatmosphäre trifft. Bei einer Kollision entstehen Elementarteilchen, neue Atomkerne und Neutronen. Diese Neutronen wiederum erzeugen in einer Kettenreaktion weitere freie Neutronen, wenn sie auf Luftmoleküle treffen. Dies wird als Sekundärstrahlung bezeichnet. In den Luftmolekülen befinden sich Kerne von Stickstoffatomen mit der Massezahl 14. Sie bestehen aus 7 Protonen und 7 Neutronen. Sobald ein freies Neutron auf den Kern trifft, wird ein Proton abgestoßen und das freie Neutron stattdessen aufgenommen. Der Kern hat seine Zusammensetzung aus Neutronen und Protonen geändert, während die Masse gleich blieb. Daraus entstand ein neuer Stoff und aus dem Stickstoffatom N14 bildete sich das radioaktive Kohlenstoffisotop C14. Das Verhältnis zwischen C14 und dem stabilen C12, das ca. 99% des gesamten Kohlenstoffvorkommens ausmacht, kann für den Zeitraum der ganzen Menschheitsgeschichte als konstant angesehen werden.

Aufnahme in den Organismus
In der Erdatmosphäre kommt Kohlenstoff meist in der Verbindung CO2, also Kohlenstoffdioxid vor. Dieses Kohlenstoffdioxid, und damit auch das C14, wird durch die Fotosynthese von Pflanzen aufgenommen und in deren Organismus eingebaut. Über die Nahrungskette gelangt dann C14 in die Körper von Tieren und schließlich auch in den von Menschen. Durch Ausatmen und andere Körperausscheidungen wird C14 wieder abgegeben, sodass sich ein Gleichgewicht zwischen C14 -Aufnahme und -Abgabe im Körper einstellt. Darum bleibt der C14-Gehalt im Körper des Menschen weitgehend konstant. Das ist nicht nur heute so. Die gleichen Bedingungen galten für die Zeit, in der Ötzi noch lebte. Wir nehmen diesen als Beispiel für die Anwendung der C14-Methode.

Zerfall von Kohlenstoff C14
Sobald ein Organismus stirbt, steht er nicht mehr im Austausch mit seiner Umwelt. Folglich kann ein toter Organismus auch kein C14 mehr aufnehmen. Als Ötzi starb, konnte sein Körper also weder weiteres C14 aufnehmen noch abgeben. Doch der C14-Gehalt bleibt über Tausende von Jahren nicht gleich. Weil es sich bei C14 um ein radioaktives Isotop handelt, ist es nicht stabil und zerfällt mit der Zeit zu seinem Ausgangselement Stickstoff. Dabei verringert sich die Radioaktivität alle 5.730 Jahre auf die Hälfte. Man spricht daher von der Halbwertszeit.
Mit entsprechenden Messgeräten (Geiger-Müller-Zählrohr, Massenspektrometer) konnte man die verbliebene Radioaktivität von Ötzis konserviertem Gewebe messen. Diese Messungen ergaben, dass bei unserem Ötzi nur noch 53 % der Zerfälle von Kohlenstoff-14-Atomen stattfindet. Mithilfe der Zerfallsgleichung lässt sich folgende Gleichung aufstellen: wobei p der Prozentsatz ist, der die verbliebenden C14-Atome angibt, th steht für die Halbwertszeit, in unserem Fall also 5.730 Jahre.

t gibt die Zeit an, die verstreichen muss, damit so viele C14-Atome zerfallen können. Um also das Alter zu bestimmen, muss man die Gleichung nach t umstellen:

Einschränkungen bei der Anwendung
Dieses Vorgehen ist allerdings nicht perfekt. Die Sonnenaktivität hat sich im Laufe der Geschichte verändert, wodurch der C14-Gehalt der Atmosphäre variierte. Diese Tatsache muss man bei den Rechnungen beachten, etwa durch eine entsprechende Eichkurve. Durch das Bestimmen des Alters von unterschiedlich alten Holzproben, deren Alter allerdings schon vorher bekannt war, konnte man eine solche Eichkurve erstellen. Außerdem lässt sich diese Methode nicht auf sehr kleine Proben anwenden, da man aufgrund seiner geringen Radioaktivität mindestens einige Gramm von Kohlenstoff-14 benötigt, um den Prozentsatz p genau zu bestimmen.

Kalium-Argon-Methode
Mit dem Zerfall von radioaktivem Kalium 40 zu Argon 40 und Calcium 40 können Gesteine mit einem Alter von 200 bis 800 Millionen Jahren (mit Argon) bzw. von eins bis zwei Milliarden Jahren (mit Calcium) datiert werden. Kalium 40 kommt weit verbreitet in häufigen gesteinsbildenden Mineralien wie Glimmern, Feldspäten und Hornblenden vor. Problematisch ist das Entweichen von Argon, wenn das Gestein Temperaturen über 125 °C ausgesetzt war, denn dadurch wird das Messergebnis verfälscht.

Rubidium-Strontium-Methode
Mit dieser sehr genauen und zuverlässigen Methode können die ältesten Gesteine datiert werden. Sie basiert auf dem Zerfall von Rubidium 87 zu Strontium 87 und wird häufig auch dafür eingesetzt, um Kalium-Argon-Datierungen zu überprüfen, da sich Strontium bei geringer Erwärmung nicht verflüchtigt, wie es beim Argon der Fall ist.

Thorium-230
Thorium-Methoden eignen sich zur Datierung von Meeressedimenten. Das Uran im Meerwasser zerfällt in das Thoriumisotop Thorium 230 (Ionium), das sich in die Sedimente auf dem Meeresgrund einlagert. Thorium 230 ist ein Glied der Zerfallsreihe von Uran 238; es besitzt eine Halbwertszeit von 80 000 Jahren. Protactinium 231, das von Uran 235 abgeleitet ist, hat eine Halbwertszeit von 34 300 Jahren.

Die Uran-Blei-Methode
Das Blei-Alpha-Alter wird bestimmt, indem man den Gesamtbleigehalt und die Alphateilchenaktivität (Uran-Thorium-Gehalt) von Zirkon-, Monazit- oder Xenotimkonzentraten spektrometrisch bestimmt. Die Uran-Blei-Methode basiert auf dem radioaktiven Zerfall von Uran 238 in Blei 206 und von Uran 235 in Blei 207. Mit den Zerfallsgeschwindigkeiten für Thorium 232 bis Blei 208 kann man drei voneinander unabhängige Altersangaben für die gleiche Probe erhalten. Die ermittelten Blei-206- und Blei-207-Verhältnisse können in das so genannte Blei-Blei-Alter umgewandelt werden. Die Methode wird am häufigsten für Proben aus dem Präkambrium benutzt. Als Nebenprodukt der Uran-Thorium-Blei-Altersbestimmung kann zusätzlich ein Uran-Uran-Alter, das aus dem Verhältnis Uran 235 zu Uran 238 abgeleitet wird, berechnet werden.

Zuletzt aktualisiert am 24.01.2005

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