Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Geochronologische „Uhr“ neu justiert

Genaue Bestimmung der Halbwertszeit von Kalium-40

PTBnews 3.2023
22.09.2023
Besonders interessant für

Geochronologie

Geowissenschaften

In der Geochronologie, etwa bei der Altersbestimmung von Gesteinen, gilt das radioaktive Kalium-40 als eines der wichtigsten Werkzeuge. Dafür müssen seine Halbwertszeit und weitere Zerfallsdaten möglichst genau bekannt sein. Sie wurden in aufwendigen Experimenten neu bestimmt.

Flüssigszintillationsproben auf der Karlsruher Nuklidkarte mit einem (veralteten) Wert der Kalium-40 Halbwertszeit

Bei der Altersbestimmung mithilfe radioaktiver Isotope nutzt man ihren kontinuierlichen Zerfall. Kalium-40 zerfällt sowohl in Calcium-40 als auch in Argon-40 und ermöglicht damit gleich mehrere Möglichkeiten, das Alter eines Gesteins zu bestimmen. Sofern das Gestein einst flüssig war, kann der Zeitpunkt der Erstarrung aus dem Verhältnis von Kalium-40 und Argon-40 berechnet werden. Wissenschaftler nutzen oft die sogenannte Argon-Argon-Methode, bei der das zu untersuchende Gestein zunächst mit schnellen Neutronen bestrahlt wird, wodurch Kalium-39-Kerne in Argon-39 umgewandelt werden. Damit sind sehr genaue Datierungen möglich. Die Genauigkeit aller Datierungen, die auf Kalium-40 basieren, hängt jedoch von der Kenntnis der partiellen Halbwertszeiten ab, die sich aus der totalen Halbwertszeit und den Wahrscheinlichkeiten für die Zerfälle zum Argon-40 bzw. zum Calcium-40 ergeben.

Bereits 2004 hatte die PTB die Halbwertszeit von Kalium-40 ermittelt, wobei sie die Aktivität über Flüssigszintillationszählung bestimmte. Dabei wurden Kaliumsalze mit natürlicher Isotopenzusammensetzung verwendet, die nur wenig Kalium-40 aufwiesen. Daher wurden nur kleine Zählraten erreicht. Das Experiment der PTB wurde von vielen Wissenschaftlern als genaueste Halbwertszeitbestimmung von Kalium-40 via Aktivitätsmessung angesehen. In der Geochronologie kam man jedoch teilweise mithilfe von Altersvergleichen zu etwas anderen Ergebnissen. Dafür wurden beispielswiese Gesteine genutzt, deren Alter durch die Uran-Blei-Methode ermittelt worden war.

Gemeinsam mit Partnerinstitutionen hat die PTB nun eine sehr umfangreichen Experimentreihe durchgeführt. Dabei wurden zwei Lösungen verwendet, in denen Kalium-40 angereichert ist, sodass der Anteil um etwa einen Faktor 265 höher ist als in natürlich vorkommenden Materialien. Bei einer der Lösungen wurde an der Australian National University (ANU) die Anzahl der Kalium-40-Kerne mittels Massenspektrometrie sehr genau bestimmt. Die spezifische Aktivität wurde erneut mithilfe von Flüssigszintillationszählern gemessen, wobei diesmal zwei unterschiedliche Messmethoden verwendet wurden. Sie lieferten übereinstimmende Ergebnisse. Die Kombination aus spezifischer Aktivität und der mittels Massenspektrometrie bestimmten Anzahl der K-40-Kerne ergibt eine Halbwertszeit von 1,2536(27) Milliarden Jahren. Auch die Wahrscheinlichkeiten für die Zerfälle zum Argon-40 und zum Calcium-40 wurden neu bestimmt. Mit diesen Zerfallsdaten lassen sich die Messergebnisse der früheren PTB-Veröffentlichung mit der neuen Messung sowie mit den Ergebnissen der Geochronologen in Einklang bringen.

Dank der neuen Bestimmung der Kalium-40-Zerfallsdaten werden Datierungen von terrestrischen und extraterrestrischen Gesteinen von nun an auf einer solideren Basis stehen.

Wissenschaftliche Veröffentlichung

K. Kossert, Y. Amelin, D. Arnold, R. Merle, X. Mougeot, M. Schmiedel, D. Zapata: Activity standardization of two enriched 40K solutions for the determination of decay scheme parameters and the half-life. Applied Radiation and Isotopes 188, 110362 (2022)