Chemie auf dem Mars

Die C14-Methode
(eigentlich: ¹⁴C)

Um das Alter von Gesteinen oder anderen Materialien zu bestimmen, verwendet man Isotope bestimmter Elemente. Isotop ist die Bezeichnung für die Nuklide eines chemischen Elements. Isotope sind Nuklide gleicher Kernladungs- und Ordnungszahl (Protonenzahl), aber unterschiedlicher Anzahl der im Kern enthaltenen Neutronen und damit unterschiedlicher Massenzahl (Nukleonenzahl). [1] Vom Stickstoff zum Beispiel gibt es zwei stabile Isotope: N14 (also 14 Nukleonen) und N15 (15 Nukleonen). Daneben gibt es vom Stickstoff allerdings auch noch sechs instabile Isotope, d.h. sie zerfallen nach einer bestimmten Zeit. Gemessen wird dabei die so genannte Halbwertszeit, also die Zeitspanne, in der die Hälfte eines Ausgangsmaterials zerfallen bzw. umgewandelt ist. [2] Im Falle der instabilen Stickstoff-Isotope liegt sie zwischen 11ms (N12) und 9.96min (N13). Aus den Halbwertszeiten der in extraterrestrischem Material nachgewiesenen Elemente lassen sich gegebenenfalls Rückschlüsse auf das Alter des Sonnensystems bzw. der Sterne ziehen. [2]

Da die Isotope eines Elements die gleiche Anzahl an Protonen im Kern aufweisen, haben sie auch die gleiche Anzahl an Elektronen in der Hülle. Sie verhalten sich somit chemisch gleichartig. Viele Radioisotope (Bezeichnung für die radioaktiven Isotope eines best. Elements) [3] lassen sich anhand ihrer charakteristischen Strahlung leicht nachweisen. Sie werden deshalb in vielfältiger Weise benutzt, um das Verhalten der reinen Elemente oder deren Verbindungen in der belebten und unbelebten Natur zu erforschen. [1]

Die Isotope des Kohlenstoff werden normalerweise nur benutzt, um junge Materialien im Boden zu datieren. Mit C14-Atomen markierte Verbindungen finden Verwendung als Radioindikatoren. In einer Altersbestimmungsmethode spielt das Mengenverhältnis C14:C12 in organischen Resten eine Rolle. [4] Man nennt diese Altersbestimmungsmethode Radiocarbonmethode oder C14-Datierung. Dies ist die Bezeichnung für eine von LIBBY seit 1947 entwickelten physikalischen Methode, die eine Alterbestimmung von ehemals belebten Materialien (z.B. Holz, Knochen, Zähne, Torf) oder von Carbonaten (z.B. Muschelschalen) enthaltenden Gegenstände mit einem verhältnismäßig hohen Genauigkeitsgrad ermöglicht. Die C14-Datierung beruht darauf, dass durch die Primär-Teilchen der kosmischen Strahlung in der Atmosphäre Neutronen gebildet werden, die aus dem Stickstoff der Luft nach N14(n,p) C14 radioaktiven Kohlenstoff bilden, der mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren unter Aussendung von ß-Strahlen geringer Energie wieder im N14 übergeht. Die frisch gebildeten C14-Atome werden in der Atmosphäre rasch zu Kohlenstoffdioxid oxidiert, das sich gleichmäßig mit dem atmosphärischen CO₂ vermischt und zusammen mit diesem in den Kohlenstoff-Kreislauf eingeht.

Nach dem Tod hört der Stoffwechsel jedoch auf, und da von einem toten Organismus somit kein radioaktives C14 mehr aufgenommen werden kann, zerfällt der zum Zeitpunkt des Todes vorhandene C14-Anteil. Bei etwa 17 150 Jahre alten Leichen ist der Gehalt an radioaktivem Kohlenstoff auf 1/8 des zu Lebzeiten vorhandenen Betrages abgesunken. Die C14-Datierung ermöglicht plausible Altersbestimmungen für Zeiträume von 1 000 bis 40 000 Jahren; eine Ausdehnung bis zu 100 000 Jahren erscheint möglich, denn neuerdings bestimmt man das C14/C12-Verhältnis direkt durch Massenspektroskopie. [3] Da die radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit durch äußere Bedingungen wie Druck und Temperatur nicht beeinflussbar ist und auch davon unabhängig ist, in welcher chemischen Verbindung ein radioaktives Nuklid vorliegt, kann der radioaktive Zerfall als geologische Uhr verwendet werden.

Für Altersbestimmungen, die den Mars betreffen ist es auf jeden Fall sinnvoller andere Isotope zu benutzen, die viel längere Halbwertszeiten haben, da sein Alter auf ca. 4 Milliarden Jahre (Entstehung des Sonnensystems) geschätzt wird.

Literatur:

[1] Römpp-Lexikon, Chemie, Thieme-Verlag, Band 3, 10. Auflage, 1997, S. 2015

[2] Römpp-Lexikon, Chemie, Thieme-Verlag, Band 3, 10. Auflage, 1997, S. 1667

[3] Römpp-Lexikon, Chemie, Thieme-Verlag, Band 5, 9. Auflage, 1992, S. 3769

[4] Römpp-Lexikon, Chemie, Thieme-Verlag, Band 1, 10. Auflage, 1996, S. 562

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Erstellt von: Stefanie Montag, 1999; E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de