PP "C14-Methode"

Projektwoche der 10. Klassen
des Gymnasiums Ramstein- Miesenbach
zum Thema Radioaktivität
Vom: 10.03.2003 bis zum 14.03.2003
Eine Präsentation zur C14-Methode
von Silvana Letscher und Sebastian Höhn,
betreut durch Herrn Werner
1.Die C14-Methode
2.Wie sie funktioniert
3.Was liefern die verschiedenen Wissenschaften zur
C14-Methode?
4.Wie wird der Zerfall mathematisch bestimmt?
5.Ein Beispiel!
6.Forschungsinstitute in denen die C14-Methode
durchgeführt wird
7.Radioaktivität in Bezug auf die C14-Methode: Segen
oder Fluch der Menschheit
Allgemeines
Die C-14 Methode, auch Radiokarbon- oder Kohlenstoffmethode genannt, ist
ein Verfahren zur Altersbestimmung von Organismen, Lebewesen und
Gesteinen.
C-14 ist ein radioaktives Isotop des Kohlenstoffes und zerfällt mit einer
Halbwertszeit von 5730 Jahren.
Der Datierungszeitraum ist auf ungefähr 50 000 Jahre begrenzt, da die Zählrate
darüber hinaus kaum noch feststellbar ist.
Diese Methode wurde von einem amerikanischen Chemiker,
Willard Frank Libby, und dessen Team seit 1947 entwickelt.
Willard Frank Libby
Willard Frank Libby wurde am 17. Dezember 1908 in Grand Valley, Colorado
geboren. Er war Physiker sowie Chemiker und ein Spezialist für Radiochemie.
Ab 1927 studierte er an der Universität von Kalifornien in Berkeley.
Bei Ausbruch des 2. Weltkrieges beteiligte er sich an der Forschung zum
Atombombenprojekt. Am 1. Oktober 1954 wurde er durch Präsident
Eisenhower in die Atomenergiekommission der Vereinigten Staaten
aufgenommen. Seit 1947 entwickelte er die Radiokarbonmethode und erhielt
1960 für diese Arbeit den Nobelpreis für Chemie.
1962 wurde er Direktor des Instituts für
Geo- und Weltraumphysik.
Libby starb am 8. September 1980 in Los Angeles.
Die Entstehung von C-14
Kosmische Strahlen aus dem Weltall zerlegen Atomkerne (die in der Atmosphäre sind;
ca. 70% dieser Atomkerne sind Kohlenstoff)bei ihrem Zusammentreffen in ihre
Bestandteile. Diese Bestandteile stieben mit einer sehr hohen Geschwindigkeit
auseinander.
Trifft nun ein Neutron auf einen Stickstoffkern so stößt dieser ein Proton aus. Es
entsteht ein C-14 Atom.
Von Stickstoff zu C14
14
7
N  n C  p
Stickstoff+Neutron
14
6

Kohlenstoff 14+Proton
Da die Verbindung von Stickstoff und dem
Neutron instabil ist wird ein Proton abgegeben.
Wie kommt C-14 in den Organismus ?
C-14 verbindet sich genau wie C-12 und C-13 mit Sauerstoff zu
Kohlenstoffdioxid.
C  O2  CO2
Das Kohlenstoffdioxid wird von den Pflanze aufgenommen.
Durch die Nahrungskette gelangt das C-14 von den Pflanzen zum Tier bis hin
zum Menschen. Jedes Lebewesen nimmt Kohlenstoff auf.
Sobald ein Körper abgestorben ist, nimmt er keinen Kohlenstoff mehr auf. Der
C14 Anteil des Kohlenstoffes beginnt zu zerfallen.Wird dieser Körper 100te von
Jahren später gefunden so kann man mit der C14 Methode bestimmen wie alt
der Körper ist.
Das funktioniert folgendermaßen: Beim auffinden des Körpers wird eine Probe
von ihm genommen. Nun kann man die konventionelle C14 Methode
anwenden oder man kann die AMS- Methode anwenden
Die Konventionelle C 14-Methode
Eine Probe wird chemisch so aufbereitet, dass aus ihr reiner Kohlenstoff
gewonnen wird. Dieser Kohlenstoff wird dann zu Kohlendioxid CO2 verbrannt.
Das CO2 wird dann direkt in einen Geiger-Müller-Zähler eingefüllt. Nachdem
die Strahlung des C14 bestimmt ist kann man anhand einer Tabelle ablesen wie
alt der Körper ist. Ein Problem bei dieser Methode ist das man mindestens
100g Kohlenstoff benötigt um die Untersuchung durchzuführen.
Chem. Aufbereitung
Probe
CO2
(C13,C12;C14)
GMZ
Die AMS- Methode
Eine Probe des Körpers wird in einen Massenspektrographen gelegt. Dieser
bewirkt, das sich das C14 vom restlichen Kohlenstoff trennt. Nun kann man den
normalen Kohlenstoff abwiegen und berechnen wie viel C14 in der Probe
enthalten war. Da man weiterhin weis das C14 im Verhältnis zu C12 oder C13
zu 1,2*10hoch-12% im Körper vorkommt weiß man wie viel C14 im Stoff
enthalten war und kann so bestimmen wie alt die Probe ist.
Ein Forscher am
Massenspektographen
Probleme bei der Altersbestimmung
Die C-14 Konzentration war in den letzten Jahrtausenden nicht immer gleich.
So war zum Beispiel 1960 der gemessene Wert nach den Atombombentests
doppelt so hoch.
Zudem kann das Ergebnis durch die vielen Schritte , von der Probeaufnahme
bis zur Feststellung, verfälscht werden.
Bei Verunreinigung oder Verwitterung wird der C-14 Gehalt durch
Isotopenaustauch verändert.
Auch gibt es bei den Materialien große Unterschiede.
Holzproben eignen sich besonders gut, Knochen sind dafür sehr schwer zu
datieren.
Mathematik
Physik
Chemie
Biologie
Nachdem man die C14-Konzentration in der Probe bestimmt
hat, kann man mathematisch das Alter der Probe errechnen.
Um dies anschaulich zu demonstrieren haben wir zuerst eine
Zerfallskurve von C14 erstellt.
Anzahl der Jahre
C 14 Konzentration in %
0,000
100,000
In der Wertetabelle
:
kann man erkennen
das es sich beim C14
Zerfall um eine
exponentielle
Abnahme handelt. Das
sieht man daran, dass
der Wachstumsfaktor
immer gleich ist und
kleiner als 1 ist.
5730,000
50,000
11460,000
25,000
17190,000
12,500
:
:
:
22920,000
6,250
28650,000
3,125
:
28650,000
1,562
:
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Der Wachstumsfaktor a berechnet sich mit folgender
Formel:
qa
d
q... Wachstum
d... Schrittweite
Wir stellen die Formel nach a um und erhalten:
aq
1
d
a  0,5
Dadurch ist a ein konstanter Wert
1
5730
Ein exponentielles Wachstum oder eine exponentielles Abnahme werden
immer mit der folgenden Formel berechnet:
f t   b  a
t
t... Ist die vergangene Zeit
b... Ist der Anfangswert (t=0)
a... Ist der Wachstumsfaktor
Bei der C14 Methode ist das unbekannte die vergangene Zeit.
Also stellen wir die Funktion nach t um.
f t   b  a / b
t
f t 
t
 a log a
b
 f t  
t  log a 

 b 
 f t  
t  log a 

 b 
Zuerst rechnen wir durch b und
bilden dann den Logarithmus zur
Basis a. Nun haben wir eine Formel
zur Berechnung des Alters einer
C14 Probe.
t...Alter der Probe
a... der Wachstumsfaktor( Halbwertszeit)
f(t)...Konzentration nach t Jahren
b...Konzentration nach 0 Jahren
Inhalt
Wissenschaften
Liefert Kenntnisse über die Radioaktivität (z.b. Kernreaktion), besonders bei
den Messungen.
Kernreaktion: Die Kernreaktion ist eine künstliche Kernumwandlung, bei der
Atome mit Neutronen oder Protonen beschossen werden.
Weiterhin liefert die Physik Informationen zur Halbwertszeit von C14
14
7
N  n C  p
1
0
14
6
1
1
Die Chemie liefert Wissen über die Kernchemie und chemische Reaktionen.
Besonders beim Herauslösen des C02 aus der Probe und der Überführung in
eine messbare Flüssigkeit oder in ein messbares Gas.
Bsp. chemische Reaktion:
6CO2  6H 2O  Sonnenlich t  C6 H12O6  6O2
Kohlendioxid + Wasser + Sonnenlicht zu Glukose + Sauerstoff
Umwandlung von Lichtenergie zu chemischer Energie.
Erkenntnisse über die Fotosynthese
Fotosynthese: Kohlendioxid dringt durch
Spalten in das Blatt ein. Chlorophyll
absorbiert die Energie des Sonnenlichts.
Kohlendioxid und Wasser werden durch die
Fotosynthese zu Sauerstoff und Zucker
umgewandelt. Sauerstoff entweicht.
Im Wasser gelöster Zucker wird zu anderen
Pflanzenteilen transportiert.
1991 wurde ein Mann in den eisigen Höhen der Schnalstaler Gletscher
gefunden. Er war vor 1000en von Jahren auf diese Gebirgskette
gestiegen und war in einem Schneesturm eingefroren und so
konserviert worden.
Nun möchte man mit Hilfe der C 14- Methode herausfinden wie alt
dieser Mann ist.
Zuerst wurde eine Probe des Körpers genommen. Dann
wurde mit Hilfe eines Massenspektrographen die C14Konzentration bestimmt.
47% des C14 in der Probe waren zerfallen. Nun wurde
berechnet wie alt Ötzi ist. Mit folgender Formel kann man das
Alter eines Körpers bestimmen:
 f t  
t  log a 

 b 
t...Alter der Probe
a... der Wachstumsfaktor(
Halbwertszeit)
f(t)...Konzentration nach t Jahren
b...Konzentration nach 0 Jahren
t...Alter von Ötzi
a...
a  0,5
1
5730
f(t)...53%
b...100%
Nun werden die Werte in die Formel eingesetzt
 53 
t  log


1
0 , 5 5 7 3 0  100 
Wenn man nun diese Formel ausrechnet erhält man das Alter
Ötzis ( ca. 5250 Jahre)
In Europa kann man in verschiedenen Laboren eine C14
Untersuchung durchführen lassen.Diese sind:
Centre of Isotope Research in Groningen
Radiocarbon Labaratory in Heidelberg
Leibniz Labor in Kiel
Oxford University in Oxford
University of Zurich
Eine C14Standartuntersuchung kostet ca. 400€. Weitere Infos
gibt es beim Leibniz Labor
Im Bezug auf die C14-Methode ist die Radioaktivität ein Segen
für die Menschheit, da man mit Hilfe der Altersbestimmung die
Evolution erforschen kann.
In der Präsentation werden viele animierte Buttons
erscheinen. Hier eine kurze Erklärung zu den
verschiedenen Buttons:
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