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Radiokarbonmethode
Erfinder: * 17. Dezember 1908 in Grand Valley, Colorado - war Physiker und Chemiker und Spezialist der Radiochemie - war bekannt durch Radiokarbonmethode à erhielt 1960 Nobelpreis - 1. Januar 1962 Direktor des Institutes für Geo- und Weltraumphysik - lehrte an einigen Universitäten z.B. Universität von Chicago - verheiratet mit Leonor Hickey † 8. September 1980 in Los Angeles Werk: Radiocarbon Datin (dtsch.
: Altersbestimmung mit der C-14 Methode) Entstehung von C-14: - Erde ständig kosmischen Strahlung ausgesetzt - trifft Strahlung auf obersten Schichten der Erdatmosphäre à freie Neutronen werden erzeugt - Kern eines Stickstoffatoms nimmt Neutron auf - unter Abgabe eines Protons entsteht aus Stickstoffatom radioaktives Kohlenstoffisotop C-14 - in Atmosphäre liegt Kohlenstoff als CO2 vor à herrscht ein Gleichgewicht zwischen radioaktivem und \"herkömmlichen\" CO2, dem es in chemischer Hinsicht gleicht - Luft beträgt der Anteil von C-12 etwa 98,89 % C-13 etwa 1,11 % C-14 etwa 1*10-12 % Zerfall: - C-14 ist radioaktives Isotop des Kohlenstoffs à nicht stabil - zerfällt in Ausgangselement Stickstoff unter Abgabe eines Elektrons - freigewordenes Elektron bewirkt β-Strahlung - Zeitspanne in der die Hälfte der ursprüngliche vorhandenen C-14 Atome zerfällt = Halbwertszeit - Halbwertszeit C-14 à 5730 Jahre Aufnahme in Organismus: - C-14 gelangt in untere Atmosphäre - wird in Form von CO2 von Pflanzen aufgenommen - durch Photosynthese wird neben C-12 auch C-14 (in Form von Stärke) in Pflanze eingebaut - ständiger Austausch mit Umwelt - von Menschen und Tieren wird Kohlenstoff (auch C-14 ) durch Nahrung aufgenommen und durch Ausatmen oder Körperausscheidungen abgegeben - herrscht Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffaufnahme und Kohlenstoffabgabe Methoden: - um das Alter einer Probe zu bestimmen à Anteil noch vorhandener C-14 Atome herausfinden - 2 Methoden: Zählrohrmethode AMS-Methode - eignen sich zur Altersbestimmung von organischen Material im Alter von 500-50000 Jahren Zählrohrmethode: - 1949 von Willard Frank Libby entwickelt - untersuchende Probe wird chemisch aufbereitet à das nur noch reiner Kohlenstoff vorhanden ist - anschließend zu CO2 verbrannt - in Geiger-Müller-Zählrohr eingefüllt - zerfällt ein im CO2 enthaltener C-14 Kern à ionisiert das im Zählrohr enthaltene Gas à macht sich als elektrischer Impuls bemerkbar - misst die C-14 Zerfälle in einer bestimmten Zeiteinheit Vorteil: - relativ kleine, einfache und kostengünstige Apparatur Nachteil: - um Zerfallsrate genau bestimmen zu können muss man möglichst viele Zerfälle messen - um Genauigkeit von ±1% zu gewährleisten müssen 10000 Zerfälle erfasst werden - weil C-14 eine vergleichsweise lange Halbwertszeit hat und C-14 Konzentration sehr gering ist erfordert Zählrohrmethode große Probenmengen (mind.1g) und lange Messzeiten - Messzeiten dauern oft Tage bzw. Wochen AMS-Methode: - Probe wird in Massenspektrometer untersuchen à kann Masse einzelner Atome oder Moleküle genau bestimmen - der C-14 Anteil ist gering dadurch wird Ergebnis wird von anderen Molekülen z.B. Stickstoff überdeckt - seit 1979 gibt es AMS-Technologie (Accelerator Mass Spectrometry = Beschleuniger- Massenspektrometrie) - Atome der Probe werden ionisiert à in Ionenquelle durch Beschuss mit Cäsium-Ionen - Atome werden durch Elektronen negativ zu Anion - werden aufgrund negativern Spannung von -55kV aus Ionenquelle in Strahlrohr hinausbeschleunigt - im Tandembeschleuniger wird positive Spannung von 5 Millionen Volt erzeugt - positiv geladene Anode (Terminal) zieht negativ geladene Anionen mit hoher Geschwindigkeit an - durch großen Ladungsunterschied geben sie beim Durchdringen der Folie Elektronen an Terminal ab à positiv geladene Kationen entstehen - Ionen werden vom Terminal mit großer Energie abgestoßen - Ionen werden mit gleicher Spannung angezogen und abgestoßen also doppelt beschleunigt à deshalb Tandembeschleuniger - durch Umladeprozess werden unter Umständen enthaltenen Molekülen ebenfalls Elektronen entzogen - da Atombindung der Moleküle auf die Bindungselektronen angewiesen sind zerbricht das Molekül - Beeinträchtigung der C-14 Messung durch Moleküle der selben Masse wird ausgeschlossen - wie beim einfachen Massenspektrometer werden Teilchen in Magnetfeld je nach Masse unterschiedlich stark abgelenkt - durch zweifache Beschleunigung besitzen Teilchen höhere Energie à erfolgt Sortierung viel genauer als beim herkömmlichen Massenspektrometer - anschließend werden Teilchen in Ionensammlern (Faradaycups und Gasionisationsdetektor) aufgefangen und als elektrischer Impuls registriert - Daten werden an Computer weitergeleitet und ausgewertet - man misst direkt Anzahl der C-12, C-13 und C-14 Atome, daraus kann das Alter der Probe berechnet werden Vorteil: - nicht auf den Zerfall eines C-14 Atoms warten - Messung in wesentlich kürzerer Zeit - reichen winzige Probenmengen (etwa 1 mg) Nachteil: - teuren Anlage - großer Platzaufwand Korrekturmethode: - um einwandfreies Messergebnis zu erhalten à wichtig exaktes Verhältnis C-14 und C-12 zum Absterbzeitpunkt der Probe zu erfahren - hierzu dient Dendrochronologie - je nach klimatischer Bedingung sind Jahresringe der Bäume von unterschiedlicher Größe (gutes Jahr: breiter Ring - schlechtes Jahr: schmaler Ring) - durch Übereinanderlagern der Baumringe kann Alter der Bäume schrittweise zurückrechnen - mit Hilfe Dendrochronologie gelang es das genau C-12 und C-14 Verhältnis in letzten 12000 Jahren zu rekonstruieren - dabei leichte Schwankungen (im Bereich von 10%) festgestellt à auf Veränderungen der Sonnenaktivität zurückzuführen - weitere Korrekturmethode ist Messung des C-13 Anteils in Proben - anhand C-13 Anteils kann man abweichende Verhältnisse rechnerisch korrigieren Probenvorbereitung: - je nach Art unterschiedliche Vorbereitung - in Erde nur organische Kohlenstoff von Bedeutung da anorganische Carbonate oft ein höheres Alter aufweisen - Protein Kollagen (in Knochen) enthält benötigten Kohlenstoff - Knochen und Erde werden in Salzsäurebad gelegt um enthaltene Carbonate zu entfernen - die isolierten organischen Kohlenstoffverbindungen werden im Element Analyzer zu CO2 verbrannt - CO2 wird in Kühlfallen mit flüssigem Stickstoff in festen Aggregatzustand gestellt - dann wird CO2 mit H2 als Reduktionsmittel und Eisen als Katalysator zu elementaren Kohlenstoff reduziert - durch Oxidation und anschließende Reduktion gewonnene Kohlenstoff (in Reinform) wird in Aluminiumkapseln (Targets) gefüllt à enthaltene Eisen verbleibt in der Probe - durch elektrische Leitfähigkeit unterstützt es Ionisation - Probenrad wird mit 40 Targets bestückt, enthalten etwa 1 mg Kohlenstoff der selben oder unterschiedlicher Proben - kann nun direkt in Ionenquelle des AMS eingesetzt werden
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