40Ar/39Ar Geochronologie WAS IST DAS ?
Geochronologie ist jener Forschungsbereich in der Geologie, der sich mit der absoluten Altersbestimmung (im Gegensatz zur „relativen“ Altersbestimmung, die sich der Fossilien bedient) von gelogischen Prozessen mit Hilfe von physikalischen Methoden bschäftigt.
40Ar/39Ar steht in diesem Zusammenhang für eine dieser Methoden, die auch in der AG Geologie der Universität Salzburg zur Verfügung steht. Die Methode beruht auf dem Zerfall von natürlich vorkommenden radioaktiven Isotopen, deren Verhältnis zu einem anderen stabilen Isotop mit Hilfe eines Massenspektrometers bestimmt werden kann. Das Salzburger Labor nennen wir ARGONAUT; ARGON steht für das verwendete Isotopensystem, AUT für Österreich.
1) In welchen Mineralen kommt Argon vor ? Argon (chem. Element Ar) ist ein Edelgas, das nicht nur in der Atmosphäre, sondern auch in verschiedenen Mineralen vorkommt; und zwar in jenen Mineralen, in denen auch das Element Kalium (chem. Element K) am Aufbau der Kristallstruktur beteiligt ist, also zum Beispiel in Kalifeldspat, Hellglimmer, Biotit, Hornblende, ….
2) Warum gibt es einen Zusammenhang zwischen K und Ar ? In der Natur gibt es verschieden K-Isotope. Isotope sind Variationen eines chemischen elementes mit gleicher Anzahl von Protonen (p), aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen (n) im Atomkern. Eines der drei in der NAtur vorkommenden Isotope von K, das Isotop mit der Massenzahl 40, 4019K, (alos jenes Element, das aus 19 p und 21 n besteht), ist radioaktiv. Das heisst, 4019K ist instabil, und zerfällt zu einem Isotop eines anderen Elementes, und zwar zu dem Ar-Isotop 4018Ar (das aus 18 p und 22 n besteht). Also: Argon (und zwar 4018Ar) wird im Mineral durch den natürlichen Zerfall aus dem natürlich vorkommenden radioaktiven Kalium-Isotop 4019K gebildet.
3) Und woher kommt das 39Ar ? Das andere Ar-Isotop, das für die Altersbestimmung mit Hilfe der 40Ar/39Ar-Methode notwendig ist, das 3918Ar, wird durch Bestrahlung der Mineralprobe in einem Reaktor aus dem stabilen K-Isotop 3919K erzeugt. Man braucht es um eine Ahnung zu haben, wieviel K überhaupt im Mineral drin ist.
4) Wie kann man 39Ar von 40Ar unterscheiden und messen ? Protonen und Neutronen besitzen Massen, sie „wiegen“ etwas. Und Isotope mit einer unterschiedlichen Anzahl an Protonen und Neutronen (also unterschiedlichen Massenzahlen m = p + n), sind demzufolge unterschiedlich schwer – je mehr Protonen und/oder Neutronen, umso schwerer das Isotop ! Und verschieden schwere Isotope lassen sich mit Hilfe eines Massenspektrometers voneinander abtrennen und danach abzählen – das ist das Prinzip der Massenspektrometrie !
5) Und wie bekommt man das Argon aus dem Mineral raus ? Dazu werden die Mineral in das Hochvakuum-System, das an das Massenspektrometer angeschlossen ist, eingebracht, und mit einem LASER-Strahl thermisch erwärmt bis sie schmelzen.