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Kosmogenese und das Grabtuch von Turin

Radioaktives Kohlenstoff-14 * und Kohlenstoff-Datierungen, die häufig vorkommen, bieten einige interessante Informationen über die Kernphysik und ihre Anwendung. Die Tatsache, dass es C-14 gibt, ist an sich schon interessant: Mit einer Halbwertszeit * von etwas mehr als 5.700 Jahren rechnen wir damit, dass jede Spur längst verschwunden ist. Radioaktive Stoffe gelten in der Regel nach sieben Halbwertszeiten als vollständig abgebaut.

Angenommen, Sie haben einen Schuhkarton mit radioaktivem Material. Nach sieben Halbwertszeiten - etwa 40.000 Jahre für C-14 - würde weniger als ein Prozent der ursprünglichen Menge übrig bleiben. Das ist so, als würde man mit tausend Dollar in der Tasche zum örtlichen Casino gehen und in einer Stunde mit einem Dollar abreisen.

Aber es gibt C-14, und davon gibt es reichlich. Zwei Gründe erklären diese Verrücktheit.

Das erste ist, dass C-14 kontinuierlich durch Kosmogenese in unserer Atmosphäre hergestellt wird. Wie? Stellen Sie sich vor, ein Neutron rast ewig durch den Weltraum. Es bewegt sich auf einer geraden Linie und kümmert sich seit ein paar Milliarden Jahren um sein eigenes Geschäft oder so und dann, bam! es pflegt sich in die obere Atmosphäre der Erde mit seinem relativ dichten Gewirr von Atomen. Das Neutron trifft auf einen Stickstoffkern, der das Schurkenneutron aufnimmt und ein Proton ausspuckt. Der Stickstoff mit 7 Protonen und 7 Neutronen hat jetzt nur 6 Protonen, was ihn zu Kohlenstoff macht, aber er hat 8 Neutronen. Addiere Protonen und Neutronen zu einem Atomgewicht von 14. Kohlenstoff-14. Es wurde kosmisch aus einem Schurkenneutron mit einer Milliarde Jahre Fernweh erzeugt.

Der andere Grund, warum wir radioaktiven Kohlenstoff haben, stammt aus Atomwaffentests. Das Argonne National Laboratory berechnet, dass etwa drei Prozent des C-14 als Ergebnis von Waffentests erzeugt werden. Und ein infinitesimaler Prozentsatz stammt aus der Kernenergieerzeugung.

Ein unveränderliches Verhältnis

Wie alle in der Natur vorkommenden Isotope * besteht radioaktiver Kohlenstoff in einem unveränderlichen Verhältnis zu seinen nicht radioaktiven Brüdern. Im Falle von Kohlenstoff ist praktisch alles C-12. Carbon-14 macht das kleinste Verhältnis aus, aber es reicht aus, um es zu zählen, und das macht es nützlich. Biologische Systeme - Pflanzen, Tiere und unser Körper - basieren auf Kohlenstoff und erkennen keinen Unterschied zwischen den radioaktiven Kohlenstoffarten oder dem normalen Alltagsmaterial. Wenn Zellen Kohlenstoff benötigen, nehmen sie ohne zu zögern die nächste Reihe ein. Basierend auf dieser nicht selektiven Art, wie wir Kohlenstoffatome in unserem Körper auswählen, spiegeln wir das Verhältnis von C-14 zu C-12 wider, das in der Natur vorkommt.

Wie wir uns verabreden

Dieses Verhältnis ist der Schlüssel zur radiometrischen Datierung. Da C-14 in der oberen Atmosphäre entsteht, verfällt auch das vorhandene Inventar. Während neue Sachen hergestellt werden, verlieren ältere Sachen ihren radioaktiven Charakter. Aber das normale Zeug, C-12, ändert sich selten.

Die Physiker haben dieses Verhältnis herausgefunden: Für jedes C-14-Atom gibt es eine Billion normaler C-12-Atome. Und da Sie und Bäume und Pflanzen alle atmen, haben wir auch das gleiche Verhältnis in uns.

Während wir diese kohlenstoffhaltige Luft einatmen, nehmen unsere Körper diese Atome im gleichen Verhältnis auf. Was passiert, wenn wir sterben - Spoiler Alarm! - ist, dass wir aufhören zu atmen. Wenn wir aufhören zu atmen und diesen Kohlenstoff nicht mehr aufnehmen, passiert etwas. Unsere Zellen behalten Kohlenstoff, aber der radioaktive Typ - C-14 - beginnt zu zerfallen.

Ein Beispiel

Wenn ein Baum stirbt und in ein Moor fällt, hat er einen C-14 für jede Billion C-12. Aber jetzt, Jahrhunderte später, hat es immer weniger C-14, aber der C-12 sagt dasselbe. Wir können diese Änderung des Verhältnisses als winzige Uhr verwenden. Je weniger C-14 wir im Vergleich zu C-12 finden, desto mehr radioaktiver Zerfall hat stattgefunden und desto mehr Zeit ist vergangen. Mit anderen Worten, je weniger C-14 wir finden, desto älter ist der Baum.

Das Leichentuch

Was hat das mit dem Grabtuch von Turin zu tun? Wir sollten, da Kleidung in der Antike aus natürlichen Materialien hergestellt wurde, in der Lage sein, mithilfe der C-14-Datierung ein Gefühl für das Alter des Grabtuchs zu bekommen.

Jetzt werden wir nicht mehr annähernd ein Jahr, einen Monat und einen Tag finden. Ein genaues Datum ist jedoch nicht der Zweck einer radiometrischen Datierung. Wir wollen einen Bereich bestimmen. Die eigentliche Frage hier ist, war dies das Grabgewand Jesu? Oder ist das aus der Zeit Jesu und könnte sein Gewand gewesen sein? Wenn die Datierung ein Alter von nur ein paar hundert Jahren aufzeigt, spricht das für eine verdammt gute Fälschung. Wenn wir stattdessen feststellen, dass es ein paar tausend Jahre alt ist, wenden wir uns anderen Techniken und Fragen zu. Das Dating kann ausschließen, dass es das Leichentuch Jesu ist, aber es kann uns nicht sagen, dass es das ist.

Wie alt ist das Leichentuch? Eine ganze Reihe kluger Leute haben sich zusammengetan und ein großartiges Projekt geplant. Sie schnitten Stücke aus verschiedenen antiken Stoffmustern, darunter das Leichentuch, Mumien und Gemälde, und schickten sie unbeschriftet an mehrere Labors auf der ganzen Welt. Die Labore waren blind und wussten nicht, welches Tuch aus dem Leichentuch stammte oder ob sie eine Probe aus dem Leichentuch hatten. Diese Art des Blindtests ist der Goldstandard in der Forschung. Die Labore teilten ein gemeinsames Protokoll, sodass alle die Proben auf die gleiche Weise verarbeiteten.

Zu keiner wirklichen Überraschung wurde das Leichentuch aus einem Stoff gewebt, der im Mittelalter hergestellt wurde. Ah, gut. Es war eine gute Geschichte und machte einige Leute zu halbbekannten Autoren.

Lesen Sie hier das Forschungspapier.

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Es gibt viele interessante Methoden zur radiometrischen Datierung. Hier ist eine weitere Zusammenfassung, die die Verwendung der Datierung zur Bestimmung des Todesalters anhand von Zähnen umreißt.

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Anmerkungen:

Für diejenigen, die sich fragen, hat ein Atom zwei grundlegende Maßnahmen. Eine ist die "Ordnungszahl", die der Anzahl der Protonen in ihrem Kern entspricht. Im Fall von Kohlenstoff ist es 6: So wird Kohlenstoff definiert. Wenn ein Atom 6 Protonen hat, ist es Kohlenstoff.

Ein weiteres Maß ist das Atomgewicht. Es ist die Anzahl der Protonen und Neutronen in einem Atom. Wenn ein Atom mehr Neutronen als Protonen hat, möchte es oft ein Neutron ausspucken, um in einen normalen Zustand zu gelangen. Dieses "Ausspucken" nennen wir Strahlung.

Atome spucken dies nach dem Zufallsprinzip aus, und wir können nie sicher sein, wann die nächste Emission stattfinden wird. Wir können jedoch gut berechnen, wann die Hälfte der Atome in einer Probe in ein anderes Produkt umgewandelt wurde. Dies nennt man die Halbwertszeit. Es wird in Sekunden bis Milliarden von Jahren gemessen.

Isotope sind Arten desselben Elements - mit der gleichen Anzahl von Protonen - aber mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen.

In der allgemeinen Nomenklatur wird Kohlenstoff 14 als C-14 geschrieben. C-12 ist ein Kohlenstoffatom mit 6 Protonen und 6 Neutronen.

Mit seiner kurzen Halbwertszeit ist die Kohlenstoffdatierung nur für relativ kurze Zeiträume von Nutzen - Zehntausende von Jahren -, aber die Konzepte und Methoden lassen sich direkt auf andere Isotope und Halbwertszeiten von Millionen von Jahren übertragen.