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Im Periodensystem der Elemente finden wir unter dem Buchstaben C das Element Kohlenstoff. In reiner Form kennen wir es in 3 Erscheinungsformen: Diamant, Graphit und Kohlenstoff {sowie die Klasse der Fullerene}. Die Chemie mit diesem Element ist interessanter und umfangreicher als die irgendeines anderen Elementes. Damit beschäftigt sich die organische Chemie. Das gesamte Leben basiert auf der Kohlenstoffchemie, entsprechend findet man dieses Element in jedem Stück Leben.
Einige physikalische Besonderheiten machen es nun möglich, mit eben diesem in Fossilien enthaltenen Kohlenstoff ihre Altersbestimmung vorzunehmen. Ein Element selbst wird durch die Anzahl der Protonen in seinem Kern bestimmt. Kohlenstoff ist durch sechs Protonen im Kern definiert. Dazu kann man theoretisch noch eine beliebige Anzahl Neutronen hinzufügen, praktisch grenzen jedoch Gesetze der Quanten- und Kernphysik die Möglichkeiten ein. Tatsächlich gibt es nur 2 stabile Varianten des Kohlenstoff. Zu 98,9 Prozent kommt in der Natur Kohlenstoff mit 6 Neutronen vor. Man bezeichnet ihn mit 12C. Die hochgestellte Zahl bezeichnet die Anzahl der Nuklide (Protonen und Neutronen) im Kern. Sie ist ein ungefähres Maß für das Atomgewicht (Massenkorrekturterme aus der Bindungsenergie). Das restliche 1,1 Prozent Kohlenstoff besitzt 7 Neutronen im Kern und wird 13C bezeichnet.
| Isotop | nat. Vorkommen | Halbwertszeit | Zerfall | EZerfall MeV# | Produkt |
| 10C | {synthetisch} | 19,255 s | EE* | 3,648 | 10B |
| 11C | {synthetisch} | 20,39 min | EE* | 1,982 | 11B |
| 12C | 98,9 % | C ist stabil mit 6 Neutronen | |||
| 13C | 1,1 % | C ist stabil mit 7 Neutronen | |||
| 14C | 10-10 % | 5730 Jahre | β- | 0,156 | 14N |
| 15C | {synthetisch} | 2,449 s | β- | 9,772 | 15N |
| 16C | {synthetisch} | 0,747 s | β- | 8,012 | 16N |
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* EE - Elektroneneinfang # MeV - Zerfallsenergie in Megaelektronvolt β- - schwacher Zerfall (Betazerfall) mit Elektronenemission | |||||
Es existieren auch Kohlenstoffkerne mit nur 3, 4 oder 5 Neutronen. Doch sie sind instabil und zerfallen nach relativ kurzer Zeit. Ebenso sind Kerne des Kohlenstoffs mit 8 bis 14 oder 16 Neutronen energetisch möglich. Doch auch diese sind instabil und zerfallen nach relativ kurzer Zeit. Einen Teil dieser Isotope zeigt obige Tabelle.
Eine Ausnahme bildet 14C, also der Kern mit 8 Neutronen im Kern. Er besitzt eine Halbwertszeit von 5730 ± 50 Jahren. Daher ist es das einzige natürliche radioaktive Kohlenstoffisotop. Hätten wir heute ein Kilogramm 14C, so wären in fast 6000 Jahren immer noch 500 Gramm übrig. In 12000 Jahren hätten wir immerhin noch 250 Gramm Kohlenstoff auf unserem Schreibtisch, der Rest wäre in der Zwischenzeit zu Stickstoff zerfallen. Im folgenden werden wir die vereinfachte Schreibweise C14 anstelle von 14C verwenden.
In der Natur kommt C14 nur in der homöopatischen Konzentration von 10-12 im Verhältnis zur C12-Konzentration vor. Angesichts des Alters der Erde von 3-4 Milliarden Jahren ist dies immer noch eine verwunderlich hohe Konzentration, mehr dazu unter Entstehung von C14. Am besten läßt sich an einem Beispiel verdeutlichen, wie gering diese Konzentration ist. Damit wird vielleicht der notwendige technische Aufwand verständlicher, der zur Altersbestimmung notwendig ist. Es zeigt außerdem die technischen Meisterleistungen, die jene Forscher erbracht haben, die diese Methoden entwickelten. Als Einschub kurz der Zerfallsprozess:
Kernreaktion 14N(n,p)14C
Nehmen wir einmal an, in unserem Garten liegen 5 Tonnen frisch geschlagenes Holz. Das im Holz gespeicherte Wasser macht einen großen Anteil des Gewichtes aus, die brennbaren Kohlenwasserstoffe tragen nur 30 Prozent bei. Und diese wiederum bestehen nur zu ca. 65 Prozent Gewichtsanteil aus Kohlenstoff. Somit enthält unser Holzberg ungefähr eine Tonne reinen Kohlenstoff. Setzen wir das oben genannte Verhältnis zu Grunde, so ist in diesem Berg also nur 1 Mikrogramm oder 0.001 mg C14 enthalten. Das sind zwar immer noch 5x1016 Atome (50 Billiarden), doch kaum mehr als ein Staubkorn. Zum Vergleich: ein Kohlenstoffwürfel mit 1 Millimeter Kantenlänge wiegt 2.26 Milligramm. In unserem großen Holzberg ist also eine Tonne Kohlenstoff enthalten, der uns interessierende radioaktive Teil passt jedoch in einen Würfel mit nur 0.076 mm Kantenlänge.
Was geschieht nun mit diesem Mikrogramm C14 in der nächsten Zeit? Die folgende Tabelle zählt die einzelnen Atome nach. Bei diesen Zeiträumen wird unser Holz sicher sehr trocken werden. Wir müssten allerdings sicherstellen, dass es nicht verbrannt wird oder verrottet.
| vergangene Zeit | zerfallene Atome | verbleibende Atome | Restgewicht 14C in mg |
| 1 ms | 192 | 50 184 466 666 666 474 | 0,001 000 000 000 000 |
| 1 Sekunde | 192 368 | 50 184 466 666 474 298 | 0,000 999 999 999 996 |
| 1 Minute | 11 542 168 | 50 184 466 655 124 500 | 0,000 999 999 999 770 |
| 1 Stunde | 692 530 144 | 50 184 465 974 136 500 | 0,000 999 999 986 200 |
| 1 Tag | 16 620 720 856 | 50 184 450 045 945 800 | 0,000 999 999 668 807 |
| 1 Woche | 116 744 466 096 | 50 184 349 922 200 600 | 0,000 999 997 673 693 |
| 1 Monat | 505 890 724 976 | 50 183 960 775 941 700 | 0,000 999 989 919 376 |
| 1 Jahr | 6 070 352 131 192 | 50 178 396 314 535 500 | 0,000 999 879 039 222 |
| 10 Jahre | 60 670 489 614 680 | 50 123 796 177 052 000 | 0,000 998 791 050 426 |
| 100 Jahre | 603 414 874 170 840 | 49 581 051 792 495 800 | 0,000 987 976 062 829 |
| 1 000 Jahre | 5 717 906 243 553 630 | 44 466 560 423 113 000 | 0,000 886 062 229 543 |
| 10 000 Jahre | 35 214 819 834 042 000 | 14 969 646 832 624 700 | 0,000 298 292 436 424 |
| 20 000 Jahre | 45.719.134.240.560.500 | 4.465.332.426.106.160 | 0,000 088 978 377 628 |
| 50 000 Jahre | 50.065.949.702.018.400 | 118.516.964.648.347 | 0,000 002 361 626 466 |
| 100 000 Jahre | 50.184.186.773.866.400 | 279.892.800.351 | 0,000 000 005 577 280 |
| 150 000 Jahre | 50.184.466.005.664.500 | 661.002.245 | 0,000 000 000 013 171 |
| 200 000 Jahre | 50.184.466.665.105.700 | 1.561.040 | 0,000 000 000 000 031 |
| 250 000 Jahre | 50.184.466.666.662.979 | 3.687 | 0,000 000 000 000 000 |
| 300 000 Jahre | 50.184.466.666.666.657 | 9 | 0,000 000 000 000 000 |
| 317 000 Jahre | 50.184.466.666.666.665 | 1 | 0,000 000 000 000 000 |
Dieses Beispiel bzw. die Tabelle zeigt recht anschaulich, für welchen Zeitraum die C14-Methode ihren Anwendungsbereich hat: Von einigen Jahren bis zu ca. 50.000 Jahren. Kommen wir zunächst aber zur Entstehung von C14
Höhenstrahlung usw und einfach ein paar Verweise auf das Internet.
Der in der Atmosphäre erzeugte Radiokohlenstoff verbindet sich mit vorhandenem Sauerstoff zu Kohlendioxid. Durch die Photosynthese der Pflanzen gelangt 14C so anschließend in die Biosphäre. Da Lebewesen bei ihrem Stoffwechsel ständig Kohlenstoff mit der Atmosphäre austauschen, stellt sich in lebenden Organismen dasselbe Verteilungsverhältnis der drei Kohlenstoff-Isotope ein, wie es in der Atmosphäre vorliegt.
Wird Kohlenstoff aus diesem Kreislauf herausgenommen (das heißt: wird er fossil), dann ändert sich das Verhältnis zwischen 14C und 12C, weil die zerfallenden 14C-Kerne nicht durch neue ersetzt werden. Es gilt das Zerfallsgesetz:
{\left( \frac{{}^{14}C}{{}^{12}C} \right)} = {\left( \frac{{}^{14}C}{{}^{12}C} \right) }_\mathit{Luft} \cdot e^{- \lambda_{14} t}, {\lambda}_{14}= 1{,}21 \cdot 10^{-4} \frac{1}{\mathrm{a}}
Der hierfür entscheidende Zeitpunkt ist das Ende des Stoffaustauschs mit der Atmosphäre, also der Tod des Lebewesens. So ist das Verhältnis zwischen 14C und 12C eines organischen Materials ein Maß für die Zeit, die seit dem Tod eines Lebewesens – beispielsweise dem Fällen eines Baums und Verwendung dessen Holzes – vergangen ist. Mithin ist es ein Maß für das Alter des Materials. Auch in nicht-organische Stoffe kann biogener Kohlenstoff und damit Radiokohlenstoff gelangen, beispielsweise in geschmolzene Metalle oder mit anderen thermischen Verfahren gewonnene Werkstoffe. Das 14C-Alter zeigt dann den Zeitpunkt der Herstellung an, evtl. zuzüglich des Alters des verwendeten organischen Kohlenstoffs.
Die Radiokarbonmethode ist somit die Messung des Verhältnisses der Mengen der Kohlenstoff-Isotope 14C zu 12C einer Probe sowie eines Standards, der das Verhältnis zu Beginn des Alterungsprozesses repräsentiert. Der 14C-Gehalt einer Probe kann entweder durch Zählung der zerfallenden 14C-Kerne im Zählrohr, im Flüssigkeits-Szintillations-Spektrometer oder durch Zählung der noch vorhandenen 14C-Kerne mit der Beschleuniger-Massenspektrometrie bestimmt werden. Letztere Methode benötigt weniger Material als die ersten beiden, ist dafür aber aufwändiger und teurer.
Im Falle von Fossilien haben wir natürlich nicht mit Tonnen zu tun, sondern eher mit wenigen Gramm, die wir untersuchen können. Vielleicht gibt uns daher ein Ärchologe ein Bruchstück eines Knoches, dessen Alter er bestimmen möchte. Nehmen wir an, dieser wiegt 60 Gramm. Dann sind darin 12 Gramm Kohlenstoff enthalten. Per Definition der Avogado-Zahl NA=6.022136x1023 mol-1 haben wir also ein mol Kohlenstoff vorliegen. Dieses enthält daher diese große Anzahl von Atomen. Je nach Alter ist jedoch nur ein verschwindend geringer Anteil des gesuchten 14C enthalten. Ist dieses Bruchstück gar 224194 Jahre alt, so ist es statistisch nur noch ein einziges Atom. Und dieses wird wahrscheinlich innerhalb der nächsten 5730 Jahre auch zerfallen.
Siehe WIKIPEDIA die Vorbereitung, chemisch wie auch physikalisch ...
das ist die Methode von Libby ... Kurzzusammenfassung, besser beschrieben in ... Link nach Wikipedia und ähnliches
Die klassische Methode für Radiokarbonmessungen, wie sie schon von Libby benutzt wurde, ist der direkte Nachweis des radioaktiven Zerfalls in einem Zählrohr. Hierbei wird als Zählgas das aus der Probe durch Verbrennung gewonnene CO2 verwendet. Aufgrund der langen Halbwertszeit und der geringen Häufigkeit von C14 beträgt die Aktivität eines Mols modernen Kohlenstoffs nur etwa 3 Zerfälle pro Sekunde. Um eine Genauigkeit von 40 Jahren (1 Standardabweichung) zu erreichen, müssen aber insgesamt mehr als 40.000 Zerfälle gezählt werden (der relative Fehler der Messung beträgt 1/\sqrt{n}, wobei n hier die Anzahl der Zählungen bezeichnet).
Um eine hohe Präzision der Messung zu erzielen, sind also, neben einer guten Abschirmung des Zählrohres gegen die natürliche Strahlung, relativ große Probenmengen (bis zu 1 kg des Ausgangsmaterials) und eine lange Messdauer erforderlich. Da bei sehr alten Proben nur noch sehr wenig 14C enthalten ist, können diese mangels Zählrate nur mit entsprechend kleinerer Präzision (Fehler von maximal 5000 Jahren) gemessen werden. Bei einem Probenalter von mehr als etwa 50.000 Jahren ist nur noch so wenig 14C in der Probe enthalten, dass die Nachweisgrenze erreicht ist.
Was ist ein Massenspektrometer, wichtig vorher verdampfen, etc, Bilder und so weiter und dann wieder einige Links
Durch die Entwicklung der Beschleuniger-Massenspektrometrie, welche die Methoden der Massenspektrometrie und kernphysikalische Untersuchungsmethoden miteinander vereinigt und so die Messung kleinster Isotopenverhältnisse bis zu 10-15 ermöglicht, wurde Ende der 1970er Jahre der direkte Nachweis von 14C-Atome möglich, ohne erst deren Zerfall abwarten zu müssen. Deshalb können mithilfe dieser Methode auch weitaus kleinere Probenmengen als bei Messungen mit der Zählrohrmethode verwendet werden, was der Radiokarbonmethode ganz neue Anwendungsgebiete erschloss. Die typische Größe einer Probe für die Beschleuniger-Massenspektrometrie beträgt etwa 1 mg; mit dieser Probenmenge können innerhalb einer Messzeit von etwa einer Stunde 40.000 14C-Atome einer modernen Probe nachgewiesen werden bzw. eine Genauigkeit von 0,5% erreicht werden, was einem Fehler von 40 Jahren entspricht. Im Gegensatz zur Zählrohrmethode ist hierzu allerdings eine weitaus aufwändigere und teurere Technik erforderlich.
Eine sehr verbreitete Methode der Messung des radioaktiven Zerfalls von 14C ist die Flüssigszintillationsspektrometrie. Der zu datierende Kohlenstoff wird dazu in einer Vakuumlinie über mehrere Zwischenstufen in Benzol umgewandelt. Diesem wird anschließend ein organischer Szintillator beigemischt. Der Szintillator wandelt die Energie der beim Zerfall von 14C entstehenden Elektronen in Lichtpulse um. Diese werden dann im Spektrometer von hochempfindlichen Photomultipliern verstärkt und gezählt. Dieses Verfahren besitzt gegenüber der Zählrohrmethode den Vorteil, dass mehr Kohlenstoff in der Messkammer untergebracht werden kann. Dadurch sind bei gleicher Genauigkeit kürzere Messzeiten möglich. Außerdem sind für die Radiokarbondatierung optimierte Spektrometer kommerziell erhältlich, während die Zählrohre Eigenentwicklungen der jeweiligen Labore sind.
Da durch Höhenstrahlung ständig neuer C14 entsteht, besitzen lebende Organismen ein definiertes C12/C14 Verhältnis. Durch Massenspektroskopie (wie erwähnt ist C14 schwerer als C12) läßt sich dieses Verhältnis bestimmen. Bei einem abgestorbenen Körper findet jedoch kein Austausch der Kohlenstoffatome statt. Damit ist ein Anfangswert für dieses Verhältnis festgelegt. Entsprechend dem radioaktiven Zerfall mit der Halbwertszeit nimmt nun die Konzentration von C14 ab.
Einleitend möchte ich einfach auf den interessanten Artikel in der Wikipedia verweisen: Radiokohlenstoffdatierung. Als ich im Jahr 2000 mit diesem Artikel begonnen habe, gab es noch gar keine Wikipedia. Doch zwischenzeitlich ist dort durch die freiwillige Mitarbeit vieler Tausend Autoren weit mehr zu dem Thema zu erfahren, als ich mir selbst aneignen könnte. Daher hier zunächst ein paar hilfreiche Links:
Nicht so einfach: Suess-Effekt, Fraktionierung, Kernwaffentests, Meßungebauigkeit, Standardabweichung, natürliche Schwankungen, Libby- und Cambridgezeit, Reservoir (Hartwasser-Effekt), Kalibrierung, Dendrochronologien, Kalibrierungskurven, online - verweise, wiggle-matching, usw, usf...
Eigentlich könnte man nun sehr genau das Alter eines ärchologischen Fundes bestimmen können. Als daher der Physiker F. W. Libby im Jahre 1949 diese Theorie aufstellte, herrschte große Euphorie unter Archäologen und Historikern. Jedoch wurde recht schnell klar, daß sich das C12/C14 Verhältnis über die Jahrhunderte ständig geändert hatte. Um also ein Alter zu bestimmen, müsste das Verhältnis zum Todeszeitpunkt bekannt gewesen sein.
Hierbei kam die Dendrochronologie zur Hilfe. Laienhaft kann man hier vom "Baumringe-zählen" sprechen, über den Zeitraum des Baumalters kann man daher auf die C12/C14 Konzentration der Atmosphäre zurückrechnen und interpolieren. Mittels mehrerer Aneinanderreichungen erhält man einen Zeitverlauf der C12/C14 Konzentration über Jahrhunderte.
Beschreibung und Weblinks.
Beschreibung und Weblinks.
Beschreibung und Weblinks.
Beschreibung und Weblinks.
Beschreibung und Weblinks.
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Hier sollte die Rubidium-Strontium-Methode Erwähnung finden, außerdem die Razemat-Methode (linksdrehende Aminosäuren razemisieren in L-Form und D-Form, linear und zirkular polarisiertes Licht, physikalische Spiegelstruktur) , Kernspaltungsspurenmethode, Ablagerung von Warven (Bändertonschichten) und Hydratation von Gegenständen aus Obsidian.
Einer der ersten Sätze, die ich im Physikalischen Grundpraktikum gelernt habe, lautet: "Ein Ergebnis ohne eine Angabe zum Fehler ist kein Ergebnis". Wenn mir also jemand erzählt, dieser Knochen sei 8435 Jahre alt, dann ist das gar keine Aussage. Bei einem absoluten Fehler von 1520 Jahren betrachtet man das Ergebnis schon etwas anders. Es ist auch allgemein üblich, das Ergebnis nicht genauer als den Fehler anzugeben und den Fehler selbst nur auf eine Stelle genau (oder 1,5 Stellen). Das ergibt dann ein Alter des Knochens von (8500 ± 1500) Jahren. Allein die Angabe des Alters auf 5 Jahre genau gaukelt eine nicht vorhandene Genauigkeit vor. Wenn ich später auf dieses Ergebnis aufbauen will, können Aussagen wie vorher oder nachher oder andere Zeitepoche vielleicht gar nicht mehr gemacht werden.
Das ist nur ein Beipiel, daß man vorsichtig mit Zeitangaben und deren Auswertung umgehen sollte. Mit dem Thema haben sich der Physiker Christian Blöss und der Historiker Hans-Ulrich Niemitz in ihrem Buch "Der C14-Crash" (IT&W Verlag, 408 Seiten) ausführlich auseinandergesetzt. Weitere Informationsquellen oder Internetadressen zu dem Thema folgen hier in der nächsten Zeit.
Zum Abschluß noch ein Beispiel aus Science News vom 10. Mai 1986 unter dem Titel "Neue Daten für ,alte' Werkzeuge":
"Vier Knochenwerkzeuge, die man als Beweisstücke dafür ansah, daß Nordamerika vor ungefähr 30 000 Jahren von Menschen bewohnt war, sind höchstens 3 000 Jahre alt. So der Archäologe D. Earl Nelson und seine Fachkollegen von der Simon-Fraser-Universität in Britisch-Kolumbien gemäß der Zeitschrift SCIENCE vom 9. Mai ...
Der Unterschied zwischen den Altersbestimmungen der beiden Proben aus demselben Knochen ist, gelinde gesagt, erheblich. Ein ,Ausfleischmesser' zum Beispiel, das benutzt wurde, um Fleisch von Tierhäuten zu entfernen, erhielt zuerst ein Radiokarbonalter von 27 000 Jahren. Jetzt wurde das Alter auf ungefähr 1 350 Jahre abgeändert".
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