Wie eine archäologische Sensation (Mumienfund in Pakistan) zu einem modernen Kriminalfall wurde - ein Beispiel für die Leistungsfähigkeit der Altersbestimmung am Erlanger Tandembeschleuniger mittels der Beschleuniger-Massenspektrometrie Dr. Gerhard Morgenroth, Physikalisches Institut, Universität Erlangen-Nürnberg Der Fund einer Mumie in Pakistan Die Radiokarbonmethode Die Beschleunigermassenspektrometrie Die Datierung der Mumie Das Ergebnis und deren Interpretation (Sensation oder Mordfall ?)

Wali Riki

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Die Entstehung von 14C

Der radioaktive Zerfall von 14C b- - Zerfall Halbwertszeit T1/2: 5730 Jahre 14C 14N + e- (Elektron) + n (Antineutrino)

Die Voraussetzungen zur Radiokarbonmethode Keine Kontamination Das untersuchte Probenmaterial darf zwischen Absterbezeitpunkt und Probenuntersuchung keinen weiteren Kohlenstoffaustausch haben. Chemische Extraktion des unveränderten Materials (z.B. Kollagen aus Knochen), bzw. Entfernung von z.B. Karbonate CaCO3 Isotopische Invarianz In allen gleichzeitig an einem Ort lebenden unterschiedlichen Organismen nehmen die Isotope 12C, 13C, 14C mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auf. Die sogenannte Isotopenfraktionierung kann man über Messung des 13C/12C-Verhältnisses exakt bestimmen und damit den 14C-Gehalt korrigieren. Räumliche Invarianz In allen gleichzeitig an verschiedenen Orten lebenden Organismen herrscht dieselbe 14C-Konzentration. Weltweite gleichmäßige Verteilung von 14CO2 in der Atmosphäre innerhalb kürzester Zeit. Zeitliche Invarianz In der gesamten Vergangenheit war die 14C-Konzentration konstant. 14C-Konzentration in der Atmosphäre variiert leicht in Abhängigkeit von Erd- und Sonnen-magnetfeld, Sonnenaktivität etc. Der Verlauf der 14C-Konzentration in den letzten 14.000 Jahren ist durch dendrochronologische Untersuchungen bekannt.

Die Dendrochronologie Klimaschwankungen (feuchte oder trockene Jahre, warme oder kühle Sommer) können sich im Wachstum des Baumbestandes eines einheitlichen Klimagebietes gleichmäßig auswirken. Es ergeben sich unregelmäßige Baumjahresringe, die in der am Querschnitt eines Stammes ablesbaren Ringfolge als Zeitmarken auffallen. Durch Aneinanderreihung von Jahresringen alter Bäumen bekannten Alters und durch Überlappung mit Jahresringen von historischen und archäologischen Holzfunden (Moorbäume) läßt sich eine lückenlose Jahresringfolge über die letzten 14.000 Jahre erstellen. Somit ist man im Besitz von Eichmaterial bekannten Alters mit deren Hilfe die 14C-Konzentration in der Atmosphäre über die letzten 14.000 Jahre bestimmt werden konnte.

Ein 14C-Zerfall pro Stunde Nachweis von 2000 14C-Atome in 1 Min. Nachweis über radioaktiven 14C- Zerfall (Zählrohr Methode, Libby 1949) Direkte Messung (Beschleunigermassenspektrometer, 1979) Messung der Radioaktivität A(t) = -dN/dt = A0 exp ( -t ln(2) / T1/2) Messung des Isotopenverhältnisses (14C/12C) = K(t) = K0 exp ( -t ln(2) / T1/2) Zeit t, seit der der Organismus nicht mehr am Kohlenstoffkreislauf teilgenommen hat Voraussetzung: A0 bekannt (14C/12C) t=0 = K0 bekannt Beispiel: 1 mg moderner Kohlenstoff (100 pMC, K0 = 14C/12C =1,2*10-12 ) enthält 6*107 14C-Atome Ein 14C-Zerfall pro Stunde Vorteil: billige Apparatur Nachteil: lange Meßzeiten große Probenmengen Nachweis von 2000 14C-Atome in 1 Min. Vorteil: kurze Meßzeiten kleinste Probenmengen Nachteil: aufwendige teure Apparatur

Probleme der konventionellen Massenspektrometrie „konventionell“ < Teilchenenergie 80 keV, positiv geladene Ionen werden in einem Magneten aufgrund ihrer Masse unterschiedlich stark abgelenkt Konzentration des nachzuweisenden Isotops (z.B. 14C, 10-12 - 10-15) ist um viele Größenordnungen niedriger als der Untergrund Untergrund zu 14C: Isobare: 14N+ Moleküle: 13CH+, 12CH2+, 7Li2+ mehrfach geladen: 28Si2+, 12C16O2+, 12C13CH32+ Massen- bzw. Energieauflösung ist nicht hoch genug um Massendefekt nachzuweisen bzw. vom Untergrund deutlich zu trennen

Die Erlanger AMS-Anlage

Die Erlanger AMS-Anlage

Die Funktionsweise des Tandembeschleunigers Van de Graaf Generator Elektrisch positiv geladenes Terminal 5 Millionen Volt Elektrisch isolierendes Band Aufsprüh-bürsten . Tandembeschleuniger

Die Erlanger AMS-Anlage

Die Datennahme

Die Datenauswertung

Atombombenpeak-Kurve Muskel und Hautgewebe 111,02 pMC Kollagen aus Knochen 115,08 pMC