Altersbestimmung mit Hilfe von Radioaktivität:

Natürliche Anwendungen der Radioaktivität am Beispiel der Altersbestimmung lernst Du an dieser Station anhand mehrerer Beispiele kennen:

		Wie alt ist der Ötzi?
		Wie alt ist der Mount Everest?
		Wie alt sind Meteoriten?
		Weiterführende Links

19. September 1991. Die Alpen nahe der österreichisch-italienischen Grenze: es ist ein ganz gewöhnlicher Herbsttag. Bis das Nürnberger Ehepaar Erika und Helmut Simon bei einer Wanderung auf dem Schnalstaler Gletscher eine Leiche finden, deren Körper aus dem Gletschereis ragt.

Der Ötzi unmittelbar nach seinem Fund. (c) Reinhold Messner. > 

Unmittelbar nach dem Fund des Ehepaares erreichen auch der berühmte Bergsteiger Reinhold Messner und sein Begleiter Hans Kammerlander den Fundort. Leider besuchten in den folgenden Tagen viele Touristen die Fundstelle, als man durch die Medien von dem sensationellen Fund gehört hatte. Dennoch war es den Wissenschaftlern möglich, das Leben des Ötztal-Mannes sehr genau zu rekonstruieren.

Eine besonders wichtige Frage war natürlich die Frage nach dem Alter dieser Mumie, die durch das Gletschereis, welches ja auch in den warmen Sommern in dieser Höhe nicht schmilzt, hervorragend konserviert war und daher weit mehr als nur das Skelett vorhanden war.

Man kann hier den radioaktiven Zerfall eines instabilen Kohlenstoff-Isotopes nutzen: Kohlenstoff wird ständig durch die Nahrung aufgenommen, so dass vergleichsweise große Mengen in allen Lebewesen vorhanden sind. Es gibt insgesamt acht Isotope des Kohlenstoffs, allerdings sind bei der Altersbestimmung vor allem zwei Isotops interessant: C-12 und C-14. C-12 ist mit einer Häufigkeit von fast 99% mit Abstand das häufigste Isotop. C-12 ist nicht radioaktiv und zerfällt daher auch nicht weiter in andere Isotope. C-14 ist viel seltener: auf ein C-14-Atom in der Atmosphäre kommen 1 Billion (!) C-12-Atome. Anders ausgedruckt: auf 1 Gramm C-14 kommen 1.000.000.000.000 Gramm C-12: das sind 1 Million Tonnen C-12!!!

C-14 ist jedoch ein radioaktives Isotop und zerfällt durch b-Zerfall in C-12. Die Halbwertzeit beträgt hierbei 5730 Jahre. Das oben angegebene Verhältnis von C12 zu C-14 ist zunächst konstant, ändert sich also nicht. Und daher nimmt auch jedes Lebewesen mit der Nahrung entsprechend viele C-12- und C-14-Atome auf. Die Mengen an radioaktivem Material, die jeder Mensch so zu sich nimmt sind wahnsinnig klein, aber: man kann sie messen! Jeder lebende Mensch besitzt in seinem Körper also ein C-12/C14-Verhältnis, welches exakt so groß ist wie das C-12/C-14-Verhältnis in der Atmosphäre. Unser Ötzi ist jedoch irgendwann gestorben! Damit nimmt er keine neuen C-12-Atome und keine C-14-Atome mehr auf. Aber: das C-14-Isotop ist radioaktiv und zerfällt mit der Zeit. Als Folge verändert sich das im lebenden Organismus konstante Isotopenverhältnis: der Anteil des radioaktiven Kohlenstoffs wird immer geringer. Mit der bekannten Halbwertzeit kann man dann ein Alter errechnen.

		Hast Du es verstanden?
		Im lebenden Organismus zerfallen 16 Atomkerne C-14-Kohlenstoff zu pro Minute und Gramm Kohlenstoff. Eine Probe aus einem Fossil, die 5 Gramm Kohlenstoff enthält, zeigt eine Aktivität von 20 Zerfällen pro Minute: Berechne das Alter des Fossils! Die Halbwertzeit beträgt 5730 Jahre.

Diese Methode der Altersbestimmung, die auch als Radiokarbon-Methode bezeichnet wird, wurde vom amerikanischen Chemiker und Geophysiker Willard F. Libby entwickelt und steht seit 1946 der Wissenschaft zur Verfügung. Man kann diese Methode bis zu einem Alter der zu untersuchenden Probe von etwa 40.000 Jahren anwenden.

		Hast Du es verstanden?
		Warum kann man die Radiokarbonmethode nicht zur Alterbestimmung von Proben benutzen, die einige Millionen Jahre alt sind (z.B. Dinosaurier-Funde)?

Mit Hilfe der Radioaktivität lassen sich nicht nur die Alter von ehemals lebenden Stoffen bestimmen, auch das Alter von anorganischem Material kann so bestimmt werden. Zum Beispiel kann man das Alter von Gesteinen mit Hilfe des radioaktiven Zerfalls bestimmen. Doch wie kann das sein? Dazu muss man etwas über die Entstehung von Gesteinen wissen:

< die Südostseite des Mount Everest, gesehen vom etwa 8500 m hohen Nachbarberg Lhotse. Typisch sind die weißen Eisfahnen, denn der Gipfel ragt mit 8848 m in die Region des "Jet Stream". (c) Ed Viesturs.

Lava-Fluss auf Hawaii, einem der aktivsten Vulkanregionen der Erde
Bildquelle: www.fly-hawaii.com >

Die oberen Regionen des Mount Everest bestehen aus Gesteinen, die ehemaligen Meeresboden repräsentieren. Das Alter dieser Gesteine beträgt rund 500 Millionen Jahre, sie gehören dem Erdaltertum ("Ordovizium") an. Doch woher weiß man, wie alt diese Gesteine sind? Und: ist dann der Mount Everest ebenfalls so alt? Zwei wichtige Fragen, die mit Hilfe radioaktiver Messmethoden geklärt werden können. Zur ersten Frage: woher weiß man, wie alt diese Gesteine sind? - Es gibt zwei grundsätzliche Möglichkeiten, das Alter eines Gesteins festzustellen: die erste ist die, in den Gesteinen nach Versteinerungen (Fossilien) zu suchen, von denen man weiß, wann diese Tiere bzw. Pflanzen gelebt haben. Dann ist das Gestein, in der die Versteinerung gefunden wird ebenso alt wie die Versteinerung selbst. Nun wird man vielleicht sagen: "aber woher weiß ich, wann die gefundenen Pflanzen- oder Tierversteinerungen gelebt haben?" Gute Frage! Hier kommt die zweite Methode zum Einsatz: mit Hilfe des radioaktiven Zerfalls:

Die Erde besteht an der Oberfläche aus einer 50-80 km dicken festen Kruste. Auf dieser Kruste leben wir. Allerdings ist diese Kruste angesichts des Radius der Erde von etwa 6370 km sehr dünn! Darunter folgt der "Erdmantel", der aus geschmolzenen Gestein besteht (Magma), da in dieser Tiefe Temperaturen von weit über 1000°C herrschen - bei einer solchen Hitze schmelzen sogar feste Gesteine!

Der umgekehrte Fall ist bekannt: solche heißen Gesteinsschmelzen können auch den Weg an die Erdoberfläche finden - dann spricht man von Lava. In den Kristallen verschiedener Minerale werden beim erkalten der heißen Schmelze stabile und instabile (radioaktive) Isotope verschiedener Elemente wie z.B. Uran oder Blei eingebaut. Mit dem Zeitpunkt des Erkaltens der Schmelze können weder stabile noch instabile Isotope eingebaut werden, so dass sich nun ein bestimmtes Mengenverhältnis von stabilen zu instabilen Isotopen zeigt. Das Mineral "friert" sozusagen beim Erkalten ein bestimmtes Isotopenverhältnis ein. Dieses Verhältnis ändert sich mit der Zeit: radioaktive Isotope zerfallen zu stabilen Isotopen, so dass die Anzahl an radioaktiven Isotope ab- und die Anzahl der stabilen Isotope zunimmt.

Natürlich nutzt man hier Zerfallsreihen mit entsprechend langen Halbwertzeiten von vielen Millionen Jahren: nur so ist gesichert, dass auch heute noch ausreichend viele radioaktive Isotope für eine genaue Messung vorhanden sind.

!		Wusstest Du schon...
		... dass die Himalayaberge immer noch an Höhe zulegen?

Meteoriten und ähnliche Himmelskörper wie Asteroiden und Kometen spielen seit jeher eine wichtige Rolle für die Geschichte der Erde: vor 65 Millionen Jahren wurden die Dinosaurier und viele andere Tierarten durch einen Meteoriteneinschlag und die dadurch eingeleitete Katastrophe ausgelöscht. Andererseits vermuten Forscher, dass Meteoriten maßgeblich an der Entstehung des Lebens auf der Erde beteiligt sein könnten.

!		Wusstest Du schon...
		... dass Süddeutschland Schauplatz eines riesigen Meteoriteneinschlages war?

< der weltberühmte "Meteor-Crater" in Arizona (USA). (c) D.J. Roddy & K. Zeller, U.S. Geological Survey of Arizona. Der Krater hat einen Durchmesser von 1200 m und eine Tiefe von 170 m !!! Da der Einschlag nur etwa 20.000 Jahre zurückliegt, hat die Verwitterung den Krater noch nicht eingeebnet.

ein polierter Eisenmeteorit mit den typischen Mustern, den sog. Widmanstättenschen Figuren. (c) www.astronomie.de >

!		Wusstest Du schon...
		... wie die "Widmanstättenschen Figuren" entstehen?

Meteoriten haben also eine bedeutende Stellung in der Wissenschaft. Besonders interessant ist neben der Frage, woraus Meteoriten bestehen (das Bild rechts ist ein Beispiel für einen Eisenmeteoriten, der tatsächlich fast nur aus Eisen und Nickel besteht) auch die Frage, wie alt diese Himmelskörper sind. Auch hier bedient man sich der nun schon bekannten Methoden und kann mit Hilfe geeigneter Zerfallsreihen das Alter eines solchen Meteoriten bestimmen. Schwieriger ist es schon, überhaupt entsprechendes Probenmaterial zu bekommen: unsere Erde wird zwar tagtäglich von Meteoriten aus dem All bombardiert, doch die wenigsten schaffen den Weg bis hinab zur Erdoberfläche: die meisten Stücke sind so klein, dass sie beim Eintritt in die Atmosphäre verglühen. Meteoriten sind somit auf der Erde weit seltener als Gold und dementsprechend gesuchte (und teure) Sammlerobjekte.

Übrigens: der größte bekannte Meteorit liegt bei Hoba West nahe Grootfontein in Südwestafrika und wiegt mindestens 60 Tonnen. Der bedeutendste Meteoriteneinschlag der neueren Zeit ereignete sich am 30. Juni 1908 in einer abgelegenen Gegend in Sibirien. Die Detonation war so gewaltig, dass sie noch in einer Entfernung von 1000 Kilometern (!) gehört wurde. Die freigesetzte Energie wird auf 12,5 Megatonnen TNT geschätzt. Eine Fläche von fast 4000 km² wurde praktisch völlig zerstört.

   http://www.bodensee-sternwarte.de/Archiv/AlxB/themen/050220/ries.htm
   http://lexikon.freenet.de/Meteorit