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Einführung in die Radiokarbonmethode
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Erica SimmonsOptionen
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Beitrag: #1
Einführung in die Radiokarbonmethode
16.01.2012, 23:14, Uhr

Vorlesung am Institut für Mythologie und Altertumsforschung (Fakultät III)

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Beitrag: #2
Einleitung
16.01.2012, 23:16, Uhr

Es ist mir eine Freude sie als angehende Altertumsforscher in diesem Kurs begrüßen zu dürfen, sie werden hier die Grundlagen zur Altersbestimmung mittels Radiokarbonethode lernen. Idealerweise sollten sie vorbereitend Professor Simultans Seminar "Grundlagen der radioaktiven Strahlung" gehört haben. Ich werde mich bemühen den Kurs inhaltlich so aufzubauen dass dieses Vorwissen nicht zwingend erforderlich ist was ich an dieser Stelle allerdings nicht tun werde ist den Stoff aus dem Grundlagenseminar in Gänze zu wiederholen. Erwarten sie also nicht hier allzu viel über Strahlungsarten oder Strahlenschutz zu lernen.

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Beitrag: #3
Kernzerfälle
16.01.2012, 23:19, Uhr

Auch wenn ich wie gesagt nicht zu sehr ins Detail gehen werde, möchte ich zunächst ein paar grundsätzliche Dinge zu Kernzerfällen erläutern. In der Natur gibt es instabile Atomkerne die sich unter Abgabe von Elementarteilchen oder Kernbruchstücken spontan in stabile umwandeln. Wir bezeichnen dies als radioaktiven Zerfall und die Nebenprodukte einer solchen Umwandlung von einem instabilen Kern in einen stabilen als radioaktive Strahlung. Natürlich vorkommende radioaktive Kerne emittieren eine der folgenden drei Strahlungsarten:

Alpha-Strahlung: besteht im Grunde aus Heliumkernen die als Kernbruchstücke beim Zerfall übrig bleiben

Beta-Strahlung: sind Elektronen oder Positronen die bei der Umwandlung eines Protons in ein Neutron oder eines Neutrons in ein Proton freigesetzt werden

Gamma-Strahlung: ist energiereiche elektromagnetische Strahlung die abgegeben wird wenn nach einem Kernzerfall ein Atomkern in einem angeregten Zustand vorliegt und spontan unter Aussendung der Energiedifferenz in Form eines Photons in den Grundzustand zurückfällt

Alpha- und Beta-Strahlung sind direkte Nebenprodukte von Kernzerfällen, Gamma-Strahlung entsteht dagegen beim Zerfall angeregter Kernzustände und tritt in der Regel in Verbindung mit einem vorangegangenen Alpha- oder Beta-Zerfall auf.

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Beitrag: #4
Zerfallsgesetz und Halbwertszeit
16.01.2012, 23:27, Uhr

Ein Maß dafür wie radioaktiv eine bestimmte Substanz nun eigentlich ist stellt die sogenannte Aktivität dar. Hinter dem Begriff Aktivität verbirgt sich nichts anderes als die Anzahl der Kernzerfälle pro Zeiteinheit. Da Kernzerfälle vollkommen spontan und rein statistisch erfolgen kann die Aktivität nicht durch äußere Bedingungen wie Druck oder Temperattur beeinflusst werden sondern ist nur abhängig von der Anzahl N vorhandener instabiler Kerne die überhaupt zerfallen können und einer für die jeweilige Atomsorte typischen Zerfallskonstante k.

Der radioaktive Zerfall lässt sich damit durch folgende Differentialgleichung beschreiben:
[Bild: dfglzerfall.png]
die sich relativ einfach lösen lässt.
[Bild: zerfallsgesetz.png]

Damit haben wir nun also das Zerfallsgesetz hergeleitet mit dem wir berechnen können welcher Anteil an instabilen Kernen nach einer bestimmten Zeit zerfallen ist.

Ein weiterer wichtiger Begriff den sie sicher schon einmal gehört haben ist die Halbwertszeit. Hinter diesem Begriff verbirgt sich nichts anderes als der Zeitraum in dem die Anzahl instabiler Kerne auf die Hälfte des Anfangswertes gesunken ist. Bei bekannter Zerfallskonstante lässt sich die Halbwertszeit tH ohne Schwierigkeiten aus dem Zerfallsgesetz berechnen.

[Bild: halbwertszeit.png]

Wie sie sehen ist es natürlich genauso einfach bei bekannter Halbwertszeit die Zerfallskonstante zu berechnen. Sie benötigen zur Arbeit mit dem Zerfallsgesetz also nur eines von beidem und oft wird in der Literatur für ein bestimmtes Isotop auch tatsächlich nur entweder die Zerfallskonstante oder die Halbwertszeit angegeben.

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Beitrag: #5
Prinzip der Altersbestimmung
16.01.2012, 23:36, Uhr

Wenden wir uns nun der Frage zu wie sie das was ich ihnen eben erläutert habe praktisch nutzen können. Eine gerade für sie interessante Anwendung beruht auf dem Kohlenstoffisotop C-14, also instabilem Kohlenstoff mit der Massenzahl 14 und der Kernladungszahl 6. Diese Isotope werden durch die Wirkung kosmischer Strahlung in der oberen Atmosphäre aus Stickstoff gebildet und zerfallen als Betastrahler auch wieder zu diesem. Die Zerfallskonstante hat bezogen auf Zerfälle pro Jahr den Wert k = 1,21*10-4, das entspricht einer Halbwertszeit von etwa 5370 Jahren. Zwischen Entstehung und Zerfall bildet sich ein Gleichgewicht heraus das ein festes Verhältnis von instabilem C-14 zu stabilem C-12 in der Atmosphäre vorgibt. Gebunden in CO2 wird Kohlenstoff durch Stoffwechselprozesse ständig zwischen organischem Material und der Umgebung ausgetauscht wodurch sich dieses Verhältnis auch in lebenden Organismen wiederfindet. Das Verhältnis C-14/C-12 beträgt etwa 1,2*10-12, das heisst auf einen instabilen C-14 Kern kommen 1012 stabile C-12 Kerne.

Stirbt organisches Material ab so endet auch der Kohlenstoffaustausch mit der Umgebung, zerfallene C-14 Kerne werden nicht mehr ersetzt wodurch das Verhältnis von C-14 zu C-12 gemäß des Zerfallsgesetzes für C-14 mit der Zeit abnimmt.

[Bild: verhltnis.png]

Indem sie also das C-14/C12 Verhältnis in einer Probe organischen Materials bestimmen, können sie mit einer gewissen Genauigkeit den Zeitpunkt des Absterbens des Organismus bestimmen. Haben sie zum Beispiel eine alte Schiffsplanke so können sie mit dieser Methode abschätzen wann ungefähr der Baum gefällt wurde aus dem diese Planke gefertigt wurde. Grundsätzlich ist die Anwendung dieser Methode nicht zwingend auf organisches Material beschränkt sondern kann beispielsweise auch auf Werkstücke aus Stahl angewandt werden nur müssen sie sich dann darüber im Klaren sein dass sie im Grunde nicht den Herstellungszeitraum des Werkstückes sondern eher das Alter der im Schmiedefeuer verwendeten Holzkohle bestimmen.

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Beitrag: #6
Verfahren zur Bestimmung des C-14/C-12 Verhältnisses
16.01.2012, 23:41, Uhr

Die Bestimmung des C-14/C-12 Verhältnisses erfordert eine Extraktion des Kohlenstoffes aus ihrer Probe mit geeigneten chemischen Verfahren um Störungen der Untersuchung durch andere Stoffe zu verhindern. Üblicherweise werden sie daher niemals ein vollständiges Artefakt für die Datierung verwenden sondern nur einen kleinen Teil davon den sie für die Untersuchung davon trennen. Wir werden hier in Kürze über zwei Möglichkeiten sprechen mit denen sie feststellen können welcher Anteil an C-14 in ihrer Probe vorliegt nachdem sie diese auf reinen Kohlenstoff reduziert haben.

Zunächst haben sie bereits gelernt dass die Aktivität einer radioaktiven Probe direkt mit der Anzahl instabiler Kerne in dieser Probe in Zusammenhang steht. Haben sie die Probe auf reinen Kohlenstoff reduziert, können sie aus der verbliebenen Masse Rückschlüsse auf die Anzahl der Kohlenstoffatome ziehen und durch Messung der Beta-Zerfälle über einen bestimmten Zeitraum, oder besser der Zeit die benötigt wird um eine bestimmte Anzahl an Beta-Zerfällen zu registrieren, die Anzahl vorhandener C-14 Atome ermitteln, der Rest ist eine relativ simple Rechnung. Diese Methode funktioniert, erfordert jedoch neben einer guten Abschirmung des Zählrohres gegen äußere Strahlung auch eine sehr lange Messdauer wenn eine möglichst hohe Genauigkeit bei der Datierung erreicht werden soll.

Eine andere Methode besteht darin den reinen Kohlenstoff vollständig zu ionisieren als die gesamte Elektronenhülle aller Kohlenstoffatome zu entfernen so dass nur noch die Kerne vorliegen. Diese Kerne könnten nun voneinander getrennt werden indem sie alle über die selbe Beschleunigeunigungsspannung senkrecht zu den Feldlinien in ein homogenes Magnetfeld geschossen werden. Die Kerne werden innerhalb des Magnetfeldes auf Kreisbahnen abgelenkt deren Radius vom Verhältnis ihrer Masse zu ihrer Ladung abhängt. Mit einem geeigneten Detektor lassen sich nun die Anzahl vorhandener C-12 und C-14 Kerne bestimmen. Bei diesem Verfahren ist die Vorbereitung der Probe technisch bedeutend aufwendiger, im Gegenzug kann mit kleineren Probenmengen, kürzeren Untersuchungszeiträumen und einer besseren Nachweisgrenze gearbeitet werden.

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Beitrag: #7
Anmerkungen zu Grenzen der Altersbestimmung und Fehlerquellen
16.01.2012, 23:47, Uhr

Nachdem sie nun das Verfahren in seinen Grundzügen kennengelernt haben, sollten wir noch kurz über die Einschränkungen sprechen denen es unterliegt. Die Nachweisgrenze für das C-14/C-12 Verhältnis liegt im besten Fall in der Größenordnung 10-15. Das entspricht einem Alter von etwa 58500 Jahren. Darüber hinausgehende Datierungen sind zum Teil unter Auswertung anderer Zerfälle für Mineralien möglich aber bleiben wir hier bei der Kohlenstoffdatierung.

Die Genauigkeit der Altersbestimmung hängt zum einen von der Größe der für die Untersuchung zur Verfügung stehenden Probe ab. Insbesondere dann wenn die Konzentration von C-14 nur noch sehr gering ist, also bei sehr alten Proben. Zumindest bei der ersten Methode die ich ihnen zur Bestimmung des C-14/C-12 Verhältnisses genannt habe spielt auch die Dauer der Messung eine Rolle um die Aktivität der Probe hinreichend genau zu ermitteln. Im besten Fall können sie die Altersbestimmung auf 40 Jahre genau vornehmen, steht ihnen zu wenig Material zur Verfügung oder nehmen sie sich nicht genug Zeit für die Messung der Aktivität, so kann die Abweichung jedoch leicht auf ein paar Jahrhunderte steigen.

Zum Abschluss noch ein paar Worte zu möglichen Fehlerquellen an die sie bei der Kohlenstoffdatierung denken sollten. Zunächst ist das C-14/C-12 Verhältnis in der Praxis keineswegs so konstant ist wie wir es in der Theorie angenommen haben. Die Intensität der Strahlung die für die Bildung des C-14 in der oberen Atmosphäre verantwortlich ist kann schwanken und ist zum Beispiel in Perioden hoher Sonnenaktivität höher als in Perioden geringer Sonnenaktivität. Die Schwankungen können einige Prozent betragen, es ist allerdings nicht ausgeschlossen dass es in der Vergangenheit singuläre Ereignisse gab durch die das C-14/C-12 Verhältnis über bestimmte Zeiträume beträchtlich vom heutigen abweichen kann was bei Proben aus entsprechenden Zeitepochen zu gravierenden Fehldatierungen führen würde. An dieser Stelle sollte auch die Auswirkung der Industrialisierung nicht unbeachtet bleiben. Durch massive Nutzung fossiler Brennstoffe deren C-14 Gehalt bereits unter der Nachweisgrenze liegt, ist der C-14 Anteil in Proben jüngeren Datums je nach Fundort eventuell niedriger als normal wodurch bei dem Versuch einer Kohlenstoffdatierung an organischem Material das nach Beginn des industriellen Zeitalters abgestorben ist leicht ein zu hohes Alter ermittelt werden kann wenn dieser Umstand nicht berücksichtigt wird. Umgekehrt haben Kernwaffentests seit Beginn des Atomzeitalters auch zu einer Erhöhung des C-14 Anteils geführt. Zusammengefasst lässt sich sagen dass sie bei Anwendung der Radiokarbonmethode auf Proben jüngeren Datums bei der Auswahl ihrer Referenzwerte für die Auswertung große Sorgfalt walten lassen sollten.

Auch bei älteren Proben können sich aus dem Kontext Verfälschungen ihrer Datierung ergeben. Neben dem Beispiel der Altersbestimmung eines Werkstücks aus Stahl das ich bereits genannt habe, wäre noch die Möglichkeit zu nennen dass Bauholz mitunter wiederverwendet wurde was beim Versuch ein Gebäude anhand eines Balkens zu datieren ebenfalls zu einem fehlerhaften Ergebnis führen kann. Sie sollten sich stets darüber im klaren sein was sie eigentlich datieren, nämlich den Todeszeitpunkt eines Organismus, und nicht in die Falle laufen nur basierend auf dem Ergebnis einer einzigen Kohlenstoffdatierung allein voreilige und im schlimmsten Fall falsche Schlussfolgerungen zu ziehen.

Damit wäre dieser Einführungskurs abgeschlossen. Haben sie noch Fragen ?

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