ESR, TL, OSL

2020-05-10

Radiometrische Datierungsverfahren mittels der aufgenommenen Strahlungsdosis

Die gemeinsamen Grundlagen

Alle im Boden eingelagerten Gegenstände, Artefakte, Knochen, Sandkörner, nehmen aus der umgebenden und inneren natürlichen Radioaktivität eine mit der Zeit ansteigende Strahlendosis auf. Manche Materialien, Silex, Keramik, Zahnschmelz, Quarz, speichern diese Dosis in einer meßbaren Form.

Strahlendosis

Die absorbierte Strahlung schlägt Elektronen aus ihren Schalen ins Leitungsband. In guten kristallinen Isolatoren verbleiben einige davon dauerhaft – oder mit einer Halbwertszeit von einer Größenordnung über dem zu datieren Zeitraum – auf höherem Energieniveau an Störstellen des Kristalls. Deren Anzahl ist, solange man nicht in die Nähe der Sättigung gerät, proportional zur aufgenommenen Dosis und meßbar. Die notwendige Vorausetzung ist, wie bei den meisten Datierungsverfahren, die Uhr am zu bestimmenden Zeitpunkt auf null zurückzusetzen. Das geschieht in den hier betrachteten Fällen durch (Sonnen-)Licht, Hitze, oder die erst dann erfolgende Neubildung.

Für eine Datierung sind also immer drei Dinge zu bestimmen:

  1. Die insgesamt aufgenommene Strahlendosis.
  2. Die Dosisleistung oder aufgenommene Dosis pro Zeiteinheit.
  3. Annahmen zur Entwicklung der Dosisleistung über die Gesamtzeit.

Je nach den Probebedingungen und den Anteilen von interner und externer Strahlung kann die Erfassung der Dosisleistung aufwendig und fehlerbehaftet werden. Grün (1991, siehe Literaturverzeichnis) gibt eine kurze Tabelle der relevanten Anteile:

Komponenten der Dosisleistung

Die wichtigste Strahlungsquelle neben Thorium und Kalium ist das Uran. Uran ist sehr gut wasserlöslich und in der Erdhülle besonders gleichmäßig verteilt, also fast überall vorhanden. Vor allem im Zahnschmelz und in Knochen ist sein Anteil zunächst gering. Es diffundiert aber aus dem umgebenden Sediment ein und trägt dann teils erheblich zur Dosisleistung bei. Zwei gängige Modellannahmen sind, das Uran diffundiert gleichmäßig über den Gesamtzeitraum ein oder sehr schnell ganz am Anfang der Zeitspanne. Ebenfalls beeinflußt die Bodenfeuchte durch die modulierende Wirkung des Wassers die Dosisleistung erheblich.

Die Messung bei OSL und TSL

Diese beiden Verfahren werden angewandt für alle Proben, die durch Licht gelöscht gewerden können. Die Probennahme muß daher in völliger Dunkelheit erfolgen und die Proben dürfen weder beim Transport noch im Labor Licht oder Wärme ausgesetzt werden. Bei einer Anregung entweder durch allmähliches Erhitzen oder durch Bestrahlen mit monochromatischem Licht längerer (energieärmerer) Wellenlänge (grün bis infrarot) geben sie beim Zurückfallen der Elektronen blaues oder ultraviolettes Licht ab, das mit empfindlichen Sensoren gemessen wird.

Aufnahme der Empfindlichkeitskurve

Das Signal ist zwar für jede Probe proportional zur Strahlendosis, aber jede Probe hat eine eigene, andere Empfindlichkeit (Spurenelemente im Kristallgitter und ähnliches). Weil die Dosis bei OSL und TL bei der Messung gelöscht wird, werden sehr viele gleiche Körnchen aus dem Sediment ausgelesen und auf etliche (z.B. 50) Unterproben von jeweils wenigen Milligramm (1–4) verteilt. Eine (oder mehrere) Unterprobe wird gleich gemessen, die anderen erhalten vorher jeweils eine andere zusätzliche Dosis aus einer bekannten Quelle. Damit, die Kurve des Signals über der Dosis auf Null zurück zu verlängern enthält man dann die Nulldosis bei der Probennahme. Das höchste so bestimmbare Alter liegt um 300 ka, nach manchen Quellen auch bis zu 1 Ma, also MSA bzw. Mittelpaläolithikum oder auch die jüngere Hälfte des Acheuléen.

Die Messung mit ESR

Bei Materialien wie Zahnschmelz läßt sich ein Löschen des Signals nicht so leicht auslösen. Auf der einen Seite müssen sie weniger pfleglich behandelt werden, auf der anderen läßt sich die Dosis nicht so leicht auslesen. In einem starken Magnetfeld beginnen die Spins der einzelnen, ungepaarten, angeregten Elektronen mit einer typischen Frequenz zu kreisen. Bestrahlt man sie mit Mikrowellen genau dieser Resonanzfrequenz dann absorbieren sie Energie. Diese Absorption läßt sich messen und ist ein Maß für die Anzahl der angeregten Elektronen. Da die Dosis dabei nicht gelöscht wird, kann dieselbe Probe mehrfach mit Zusatzdosen bestrahlt und mehrfach ausgelesen werden.

Weil die Anregungszustände in diesen Materialien stabiler und längerlebig sind, können mit ihnen längere Zeiträume erfaßt werden. Die Altersbestimmung umfaßt das gesamte Pleistozän bis vor etwa 2.5 Ma.

Zusatz: Der Elektronenspin

Der Spin ist eine feste, unveränderliche Eigenschaft des Elektrons. Er ist immer vorhanden und im Betrag unveränderlich, lediglich seine Richtung kann verändert werden. Das Elektron verhält sich nach außen,[1] als würde es samt seiner Ladung sehr schnell um die eigene Achse rotieren. Das bewirkt einmal ein räumlich ausgerichtetes Magnetfeld mit Nord- und Südpol und zum zweiten eine Kreiselwirkung. Der Magnet versucht, sich nach einem äußeren Magnetfeld auzurichten, der Kreisel wirkt dem entgegen.

Den gleichen Effekt haben wir beim bekannten Spielkreisel. Stellen wir ihn auf seine Spitze, fällt er, der Schwerkraft folgend, um. Wird er stattdessen vorher angedreht, dann fällt er nicht, sondern seine Achse weicht der Kippbewegung seitlich aus. Dabei rotiert die Achse um die lotrechte Richtung der Schwerkraft. Diese Achsenrotation ist das Äquivalent zur oben angesprochenen Resonanzfrequenz.

Elektronen treten in Molekülen und Kristallen immer paarweise auf. Bei jedem Paar stehen die Spins genau entgegesetzt zueinander. Sie heben sich auf und sind nach außen unsichtbar. Nur die einzelnen, ungepaarten Elektronen in den Traps gehen deshalb im ESR-Spektrometer eine Wechselwirkung ein.


1

Was in seinem Inneren „wirklich“ passiert, wissen wir nicht und können wir nach der Theorie des Standardmodells nie wissen.     Zurück