Atom- und Kernphysik
Zerfallsgesetz und Aktivität
Wie aus reinem Zufall ein exaktes Gesetz wird und wie man damit das Alter von Funden und Gesteinen bestimmt.
Benötigte Grundlagen
Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.
Einführung
Kein einzelner verrät, wann er zerfallen wird. Er altert nicht, er hat kein Gedächtnis, und die Wahrscheinlichkeit, in der nächsten Sekunde zu zerfallen, ist für einen frisch entstandenen Kern genauso groß wie für einen, der seit einer Milliarde Jahren existiert.
Und doch lässt sich für ein Stück Uran auf die Stunde genau angeben, wie viele Kerne bis morgen zerfallen sein werden.
Aus dieser Verbindung von vollkommener Unvorhersagbarkeit im Einzelnen und strenger Gesetzmäßigkeit im Ganzen folgt das Zerfallsgesetz, und mit ihm eine Uhr, die das Alter von Fossilien, Gesteinen und der Erde selbst misst.
Das kannst du nach diesem Kapitel
das Zerfallsgesetz aufstellen und begründen.
die Zerfallskonstante und ihren Zusammenhang mit der angeben.
die Aktivität berechnen.
mit dem Gesetz Zeiten und Mengen bestimmen.
die Altersbestimmung durchführen und ihre Voraussetzungen nennen.
den statistischen Charakter des Zerfalls erklären.
Der Ausgangspunkt
Für einen einzelnen Kern gilt: Die Wahrscheinlichkeit, in einem kurzen Zeitraum zu zerfallen, ist konstant und hängt weder vom Alter des Kerns noch von seiner Umgebung ab.
Daraus folgt für viele Kerne: Die Zahl der Zerfälle in einer bestimmten Zeit ist der Zahl der noch vorhandenen Kerne proportional.
Die Zerfallskonstante gibt an, welcher Bruchteil der Kerne je Sekunde zerfällt. Das Minuszeichen steht für die Abnahme.
🔴 Genau dieses Muster kennst du schon: Beim war die Änderung der Restspannung proportional, bei der Abkühlung der Temperaturdifferenz. Alle drei führen auf dieselbe Kurvenform.
Das Zerfallsgesetz
oder gleichwertig mit der
Der Zusammenhang beider Formen: Setzt man und , folgt
Beide Formen sind gleichwertig. Für Rechnungen in ganzen Halbwertszeiten ist die zweite bequemer, für beliebige Zeiten die erste.
Die Aktivität
Sie gibt die Zahl der Zerfälle je Sekunde an. Da exponentiell abnimmt, gilt dasselbe für die Aktivität:
🔴 Wichtige Einsicht aus : Bei gleicher Stoffmenge hat ein mit kurzer (großes ) eine hohe Aktivität, eines mit langer eine niedrige.
| Isotop | Aktivität von | |
|---|---|---|
| Iod-131 | Tage | |
| Cäsium-137 | Jahre | |
| Uran-238 | Jahre |
Der Unterschied beträgt elf Zehnerpotenzen. „Stark " und „lange radioaktiv" sind also Gegensätze, nicht dasselbe.
Weil A = λ · N gilt und λ konstant ist, hat die Aktivität dieselbe Kurvenform wie die Kernzahl und damit auch dieselbe . Daraus folgt unmittelbar: Ein Präparat kann stark strahlen oder lange strahlen, aber nicht beides.
Altersbestimmung mit C-14
Das Prinzip. In der Atmosphäre entsteht durch kosmische Strahlung ständig und zerfällt zugleich. Dadurch stellt sich ein nahezu konstantes Verhältnis von zu ein.
Ein lebender Organismus tauscht ständig Kohlenstoff mit der Umgebung aus und hat deshalb dasselbe Verhältnis. Mit dem Tod endet der Austausch, und der -Anteil sinkt mit Jahren.
Die Rechnung. Aus dem gemessenen Verhältnis folgt
Reichweite: rund Jahre. Danach ist zu wenig übrig.
Voraussetzungen, die man kennen muss:
- Der atmosphärische -Gehalt zur Lebenszeit muss bekannt sein. Er war nicht exakt konstant, weshalb man mit Kalibrierkurven aus Baumringen arbeitet.
- Die Probe darf nach dem Tod keinen Kohlenstoff ausgetauscht haben; Verunreinigung mit frischem Kohlenstoff lässt sie zu jung erscheinen.
🔴 Zwei menschgemachte Störungen sind bemerkenswert: Die Verbrennung fossiler Brennstoffe verdünnte den -Anteil (Suess-Effekt), die Kernwaffentests der 1950er Jahre verdoppelten ihn kurzzeitig.
So läuft die Altersbestimmung praktisch ab: Gemessen wird der C-14-Anteil, abgelesen wird die Zeit. Bei 25 % ist die Antwort ohne Taschenrechner ablesbar. Das sind genau zwei . Jenseits von rund 50 000 Jahren ist zu wenig C-14 übrig; dann braucht man andere Uhren.
Andere Uhren für größere Zeiträume
| Verfahren | Anwendung | |
|---|---|---|
| C-14 | a | Organisches bis a |
| Kalium-Argon | a | Gesteine, Vulkanausbrüche |
| Uran-Blei | a | älteste Gesteine, Erdalter |
Mit der Uran-Blei-Methode wurde das Alter der Erde zu Milliarden Jahren bestimmt, mit einer Unsicherheit von nur rund einem Prozent.
Der statistische Charakter
🔴 Der Zerfall ist ein Zufallsprozess. Ein Kern altert nicht; seine Zerfallswahrscheinlichkeit ist immer dieselbe.
Trotzdem gilt für viele Kerne ein exaktes Gesetz, genau wie beim Würfeln: Ein einzelner Wurf ist unvorhersagbar, bei einer Million Würfen liegt der Anteil der Sechsen sehr genau bei einem Sechstel.
Praktische Folge: Die Zählrate eines Messgeräts schwankt. Bei gezählten Ereignissen beträgt die typische Schwankung etwa , die relative Unsicherheit also .
Deshalb misst man bei kleinen Aktivitäten lange: Vervierfacht man die Messzeit, halbiert sich der relative Fehler.
Mit dem Zerfallsgesetz rechnen
Cäsium-137 hat Jahre. Eine Probe enthält zu Beginn Kerne.
a) Wie groß ist die Zerfallskonstante?
b) Wie groß ist die Anfangsaktivität?
c) Wie viele Kerne sind nach Jahren übrig?
d) Nach welcher Zeit ist die Aktivität auf gesunken?
- 1
a) in Sekunden:
Je Sekunde zerfällt also nur etwa ein Kern von Milliarden.
- 2
b)
Also rund Gigabecquerel. Trotz der winzigen Zerfallswahrscheinlichkeit ergibt die riesige Kernzahl eine hohe Aktivität.
- 3
c) Über die Halbwertszeitform:
Kontrolle über die Exponentialform:
✓
Nach Jahren sind also noch rund vorhanden.
- 4
d) Gesucht ist mit .
Da , gilt dieselbe Gleichung:
Bequemer in Halbwertszeiten: Mit folgt
🔴 Merke die allgemeine Regel: Auf sinkt die Aktivität nach rund sieben Halbwertszeiten, auf nach zehn.
Das ist die Grundlage der Faustregel aus der Klasse 10: Nach etwa zehn Halbwertszeiten gilt ein Stoff als abgeklungen.
Praktische Bedeutung für Cäsium-137: Nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl 1986 sind bis heute (rund Jahre, also gut eine Halbwertszeit) erst etwa zerfallen. Bis auf ein Prozent dauert es noch rund Jahre.
Genau deshalb wird in Teilen Bayerns weiterhin Wildfleisch gemessen: Cäsium reichert sich über Pilze in Wildschweinen an.
a) b) rund c) rund (etwa ) d) rund Jahre (etwa sieben Halbwertszeiten).
Altersbestimmung mit C-14
An einem Holzfund misst man eine C-14-Aktivität von Zerfällen je Minute und Gramm Kohlenstoff. Bei lebendem Material sind es .
a) Wie alt ist der Fund ( a)?
b) Warum funktioniert die Methode nur bei organischem Material?
c) Welche zwei Voraussetzungen müssen erfüllt sein?
d) Warum reicht die Methode nur rund Jahre zurück?
- 1
a) Verhältnis bilden:
Nach der Zeit auflösen:
Mit :
Der Fund stammt also aus der Zeit um vor unserer Zeitrechnung.
- 2
b) Weil nur lebende Organismen ständig Kohlenstoff austauschen.
Pflanzen nehmen Kohlendioxid aus der Luft auf, Tiere fressen Pflanzen. Solange ein Organismus lebt, hält er dadurch dasselbe -Verhältnis wie die Atmosphäre.
Mit dem Tod endet der Austausch. Von da an zerfällt das vorhandene ohne Nachschub, und die Uhr läuft.
🔴 Bei Gestein gibt es keinen solchen Startpunkt: Es hat nie am Kohlenstoffkreislauf teilgenommen. Deshalb braucht man dort andere Verfahren, etwa Kalium-Argon oder Uran-Blei.
Was die Methode also datiert, ist genau der Todeszeitpunkt des Organismus, nicht etwa die Herstellung eines Gegenstands. Ein Holzbalken datiert auf das Fälljahr des Baumes, was bei wiederverwendetem Holz zu Fehlschlüssen führen kann.
- 3
c) Erstens: Der ursprüngliche -Gehalt muss bekannt sein.
entsteht laufend durch kosmische Strahlung und zerfällt zugleich. Sein Anteil war aber nicht exakt konstant, weil die kosmische Strahlung und das Erdmagnetfeld schwankten.
Deshalb arbeitet man mit Kalibrierkurven, die über Jahresringe von Bäumen (Dendrochronologie) bis rund Jahre zurückreichen. Erst damit werden die Ergebnisse genau.
Zwei menschgemachte Störungen: Die Verbrennung fossiler Brennstoffe (die kein mehr enthalten) hat den Anteil verdünnt; die Kernwaffentests der 1950er Jahre haben ihn kurzzeitig fast verdoppelt.
Zweitens: Die Probe darf keinen Kohlenstoff ausgetauscht haben.
Verunreinigung mit frischem Kohlenstoff (Wurzeln, Konservierungsmittel, Berührung) lässt den Fund zu jung erscheinen. Schon ein Prozent moderner Kohlenstoff verfälscht ein Jahre altes Ergebnis erheblich.
Deshalb werden Proben aufwendig gereinigt, und man datiert möglichst mehrere unabhängige Proben.
- 4
d) Weil nach rund Jahren zu wenig übrig ist.
Es sind also nur noch rund zwei Promille des ursprünglichen Gehalts vorhanden.
Warum das die Grenze setzt: Die verbleibende Aktivität ist so gering, dass sie im natürlichen Untergrund untergeht. Zudem würde schon eine winzige Verunreinigung mit frischem Kohlenstoff das Ergebnis vollständig verfälschen.
🔴 Für ältere Funde nimmt man mit längerer :
Verfahren Reichweite C-14 a bis a Kalium-Argon a ab a Uran-Blei a Milliarden Jahre Die allgemeine Regel: Ein Verfahren eignet sich für Zeiträume in der Größenordnung seiner Halbwertszeit. Ist die Halbwertszeit zu kurz, ist nichts mehr messbar; ist sie zu lang, hat sich noch zu wenig verändert.
Deshalb wäre Uran-Blei für einen Jahre alten Holzfund unbrauchbar, und C-14 für ein Gestein.
Mit Uran-Blei wurde das Alter der Erde bestimmt: Milliarden Jahre, mit einer Unsicherheit von rund einem Prozent. Diese Zahl beruht auf demselben Zerfallsgesetz wie unsere Rechnung.
a) rund Jahre b) nur Lebendes tauscht Kohlenstoff aus, der Tod startet die Uhr c) bekannter Ausgangsgehalt und kein späterer Austausch d) nach a sind nur noch zwei Promille übrig.
Typischer Fehler
„Ein Stoff mit sehr langer ist besonders gefährlich, weil er so stark strahlt."
Es ist genau umgekehrt: Lange Halbwertszeit bedeutet geringe Aktivität.
Das folgt unmittelbar aus
Je größer , desto kleiner und damit die Aktivität. Bei gleicher Stoffmenge:
| Aktivität von | ||
|---|---|---|
| Iod-131 | Tage | |
| Cäsium-137 | Jahre | |
| Uran-238 | Mrd. Jahre |
Iod-131 ist also elf Zehnerpotenzen aktiver als Uran-238.
Anschaulich: Ein Vorrat, der schnell aufgebraucht wird, gibt viel je Zeit ab. Einer, der Milliarden Jahre reicht, gibt entsprechend wenig ab. Man kann nicht beides haben.
Warum Uran dennoch problematisch ist: nicht wegen seiner Strahlung, sondern wegen seiner chemischen Giftigkeit (es ist ein Schwermetall) und weil aus ihm über die Zerfallsreihe kurzlebige und damit stark strahlende Töchter entstehen, etwa Radium und Radon.
Was wirklich gefährlich ist, hängt von mehreren Größen ab:
| Frage | Bedeutung |
|---|---|
| Wie aktiv? | kurze Halbwertszeit bedeutet viel Strahlung jetzt |
| Wie lange? | lange Halbwertszeit bedeutet dauerhaftes Problem |
| Welche Strahlenart? | Alpha im Körper besonders schädlich |
| Im Körper? | Iod in der Schilddrüse, Strontium im Knochen |
Zwei Beispiele, die den Unterschied zeigen:
- Iod-131 ist kurzfristig gefährlich (hohe Aktivität, Anreicherung in der Schilddrüse), nach drei Monaten aber praktisch verschwunden. Deshalb Iodtabletten nach Unfällen.
- Plutonium-239 strahlt vergleichsweise schwach, bleibt aber Jahre und ist als Alphastrahler eingeatmet hochgefährlich. Es ist ein Entsorgungsproblem, keine akute Gefahr.
🔴 Merksatz: Kurze Halbwertszeit bedeutet ein heftiges, aber kurzes Problem; lange Halbwertszeit ein schwaches, aber sehr langes. Gefährlich ist beides, nur auf verschiedene Weise.
Übung 1
leichta) Ein hat Tage. Wie groß ist in ?
b) Wie viel Prozent sind nach Tagen übrig?
c) Was gibt die Aktivität an?
Tipp anzeigen
b) Tage sind drei .
Lösung anzeigen
a)
Je Tag zerfallen also rund der jeweils noch vorhandenen Kerne.
b) Tage sind drei Halbwertszeiten:
c) Die Anzahl der Kernzerfälle je Sekunde:
Sie beschreibt die Quelle, sagt aber nichts über die Wirkung auf den Menschen aus; dafür braucht man die Äquivalentdosis in Sievert.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht beim Zerfallsgesetz
a) gibt eine Halbwertszeit von Tagen; gesucht ist die Zerfallskonstante je Tag. b) fragt nach dem Restanteil nach Tagen, c) nach der Bedeutung der Aktivität.
- 2
Zerfallskonstante, Halbwertszeit und Aktivität
Es gilt und . Die Aktivität ist , gemessen in Becquerel ().
- 3
a) und b) Zerfallskonstante und Restanteil
Erst durch die Halbwertszeit, dann die drei Halbwertszeiten als Potenz von einhalb.
; , also
Zwischenergebnis
; Rest
- 4
c) Ergebnis deuten: was die Aktivität sagt und was nicht
Die Aktivität gibt die Anzahl der Kernzerfälle je Sekunde an: , gemessen in Becquerel. Sie beschreibt die Quelle, sagt aber nichts über die Wirkung auf den Menschen aus, dafür braucht man die Äquivalentdosis in Sievert.
Übung 2
mittela) Eine Probe hat und Stunden. Wie groß ist nach Stunden?
b) Nach welcher Zeit ist die Aktivität auf gesunken?
c) Warum hat ein mit kurzer eine hohe Aktivität?
d) Warum schwankt die Anzeige eines Geiger-Zählers?
Tipp anzeigen
a) Stunden sind Halbwertszeiten.
Lösung anzeigen
a)
b)
🔴 Merke: Auf ein Zehntel sinkt es nach rund Halbwertszeiten, auf ein Hundertstel nach rund , auf ein Tausendstel nach rund .
c) Weil die Aktivität nach von der Zerfallskonstante abhängt und
bei kurzer Halbwertszeit groß ist.
Anschaulich: Eine kurze Halbwertszeit bedeutet, dass ein großer Anteil der Kerne je Zeiteinheit zerfällt. Bei gleicher Stoffmenge finden dann viel mehr Zerfälle je Sekunde statt.
Zahlenbeispiel für :
| Isotop | Aktivität | |
|---|---|---|
| Iod-131 | d | |
| Uran-238 | a |
Elf Zehnerpotenzen Unterschied.
🔴 Daraus folgt eine wichtige Einsicht: „Stark " und „lange radioaktiv" schließen einander aus. Ein Vorrat, der schnell verbraucht wird, gibt viel je Zeit ab; einer, der Milliarden Jahre reicht, entsprechend wenig.
d) Weil der radioaktive Zerfall ein Zufallsprozess ist.
Für jeden einzelnen Kern lässt sich der Zerfallszeitpunkt nicht vorhersagen; es gibt nur eine Wahrscheinlichkeit. Die Anzahl der Zerfälle in einem festen Zeitintervall schwankt deshalb um einen Mittelwert.
Quantitativ: Bei gezählten Ereignissen beträgt die typische Schwankung etwa , die relative Unsicherheit also
Zahlenbeispiel:
| gezählte Ereignisse | relative Unsicherheit |
|---|---|
Praktische Folge: Bei kleinen Aktivitäten misst man lange. Vervierfacht man die Messzeit, verdoppelt sich die Zahl der Ereignisse nicht, sondern vervierfacht sich, und der relative Fehler halbiert sich.
🔴 Genau deshalb dauern Messungen in der Umweltanalytik oder bei der C-14-Datierung oft Stunden oder Tage. Es geht nicht um die Empfindlichkeit des Geräts, sondern um Statistik.
Dasselbe Prinzip gilt in der Astronomie (lange Belichtungszeiten) und in der Teilchenphysik (jahrelange Datennahme für seltene Ereignisse).
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht bei der Aktivitätsabnahme
a) gibt und Stunden; gesucht ist die Aktivität nach Stunden. b) fragt nach der Zeit bis auf . c) und d) verlangen Begründungen zu kurzer Halbwertszeit und zur schwankenden Anzeige.
- 2
Das Zerfallsgesetz in Halbwertszeiten
Es gilt . Für die Umkehrung, gegeben der Restanteil, gesucht die Zeit, logarithmiert man: .
- 3
a) und b) Aktivität nach 15 Stunden und Zeit bis auf 10 Prozent
Erst den Exponenten als Verhältnis bilden, dann für b) logarithmieren.
, also ; , also
Zwischenergebnis
;
- 4
c) Warum kurze Halbwertszeit hohe Aktivität bedeutet
Weil die Aktivität nach von der Zerfallskonstante abhängt und bei kurzer Halbwertszeit groß ist. Anschaulich: Eine kurze Halbwertszeit bedeutet, dass ein großer Anteil der Kerne je Zeiteinheit zerfällt, bei gleicher Stoffmenge finden dann viel mehr Zerfälle je Sekunde statt.
- 5
d) Ergebnis deuten: warum der Zähler schwankt
Weil der radioaktive Zerfall ein Zufallsprozess ist: Für jeden einzelnen Kern lässt sich der Zerfallszeitpunkt nicht vorhersagen, es gibt nur eine Wahrscheinlichkeit. Die Zahl der Zerfälle in einem festen Intervall schwankt deshalb um einen Mittelwert, bei gezählten Ereignissen typisch um , relativ also um .
Übung 3
schwera) Begründe, warum der Zerfall exponentiell verläuft.
b) Leite her.
c) Ein Fund zeigt noch des ursprünglichen C-14-Gehalts. Wie alt ist er?
d) Warum kann man mit C-14 keine Gesteine und mit Uran-Blei keine Holzfunde datieren?
Tipp anzeigen
b) Setze und .
Lösung anzeigen
a) Ausgangspunkt: Für jeden einzelnen Kern ist die Zerfallswahrscheinlichkeit je Zeiteinheit konstant und unabhängig von seinem Alter. Kerne altern nicht.
Daraus folgt für viele Kerne: Die Zahl der Zerfälle in einem Zeitraum ist der Zahl der noch vorhandenen Kerne proportional:
Was das bedeutet: Die Abnahmegeschwindigkeit ist selbst dem noch Vorhandenen proportional. Je weniger übrig ist, desto langsamer geht es weiter. Der Vorgang bremst sich selbst.
Genau das ist die Bedingung für exponentielles Verhalten und führt auf
🔴 Dasselbe Muster kennst du bereits:
| Vorgang | Änderung proportional zu |
|---|---|
| Zerfall | Kernzahl |
| Kondensatorentladung | Restspannung |
| Abkühlung | Temperaturdifferenz |
Alle drei führen auf dieselbe Kurvenform und auf ein charakteristisches Zeitmaß ( bzw. Zeitkonstante). Es ist eines der wiederkehrenden Muster der Physik.
b) Definition der Halbwertszeit einsetzen. Nach der Zeit ist die Hälfte übrig:
Durch teilen:
Logarithmieren:
Was die Formel aussagt: und beschreiben dieselbe Eigenschaft, nur anders ausgedrückt. gibt den zerfallenden Bruchteil je Sekunde an, die Zeit bis zur Halbierung.
Nützliche Kontrolle: Die Einheiten müssen zueinander passen. Ist in Jahren gegeben, hat die Einheit , und muss ebenfalls in Jahren eingesetzt werden.
c)
Mit :
Kontrolle über Halbwertszeiten: liegen zwischen (eine Halbwertszeit) und (zwei), das Ergebnis muss also zwischen und Jahren liegen. ✓
Der Fund stammt damit aus der Zeit um vor unserer Zeitrechnung, also aus der frühen Jungsteinzeit.
d) Weil ein Verfahren nur für Zeiträume in der Größenordnung seiner Halbwertszeit taugt.
C-14 an Gestein: zwei Gründe.
Erstens hat Gestein nie am Kohlenstoffkreislauf teilgenommen. Es gibt keinen definierten Startpunkt, an dem der Austausch endete. Die Methode misst den Todeszeitpunkt eines Organismus, und ein Stein ist nie lebendig gewesen.
Zweitens ist Gestein meist Millionen bis Milliarden Jahre alt. Selbst wenn es Kohlenstoff enthielte, wäre nach Jahren (rund neun Halbwertszeiten) praktisch kein mehr messbar.
Uran-Blei an Holz: umgekehrtes Problem.
Die Halbwertszeit von beträgt Milliarden Jahre. In Jahren zerfällt davon der Bruchteil
also weniger als ein Millionstel. Diese Änderung ist nicht messbar; das Ergebnis ginge vollständig im Messfehler unter.
(Hinzu kommt, dass Holz kein nennenswertes Uran enthält.)
🔴 Die allgemeine Regel: Eine radioaktive Uhr eignet sich für Zeiträume, die grob zwischen einem Zehntel und dem Zehnfachen ihrer Halbwertszeit liegen.
| Verfahren | sinnvoller Bereich | |
|---|---|---|
| C-14 | a | bis a |
| Kalium-Argon | a | ab a |
| Uran-Blei | a | Millionen bis Milliarden a |
Das ist wie bei Messgeräten: Man misst eine Haarbreite nicht mit dem Maßband und die Länge einer Straße nicht mit der Mikrometerschraube. Man wählt das Verfahren nach der erwarteten Größenordnung.
Mit Uran-Blei bestimmte Clair Patterson 1956 das Alter der Erde zu Milliarden Jahren, ein Wert, der bis heute Bestand hat.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht: Herleitung, Datierung und Verfahrensgrenzen
c) gibt einen Fund mit noch des ursprünglichen C-14-Gehalts; gesucht ist sein Alter (mit Jahre). a), b) und d) fragen nach dem exponentiellen Verlauf, nach der Herleitung von und nach den Grenzen der Datierungsverfahren.
- 2
b) Den Zusammenhang von Zerfallskonstante und Halbwertszeit herleiten
Definition einsetzen: Nach der Zeit ist die Hälfte übrig, also . Durch teilen: . Logarithmieren: , also .
- 3
a) Warum der Zerfall exponentiell verläuft
Ausgangspunkt: Für jeden einzelnen Kern ist die Zerfallswahrscheinlichkeit je Zeiteinheit konstant und unabhängig von seinem Alter: Kerne altern nicht. Daraus folgt für viele Kerne: , die Abnahmegeschwindigkeit ist dem noch Vorhandenen proportional, der Vorgang bremst sich selbst.
- 4
c) Das Alter des Fundes
Restanteil einsetzen, logarithmieren, mit der Halbwertszeit multiplizieren.
, also
Zwischenergebnis
- 5
d) Ergebnis deuten: jede radioaktive Uhr hat ihren Messbereich
Weil ein Verfahren nur für Zeiträume in der Größenordnung seiner Halbwertszeit taugt. C-14 an Gestein: Gestein hat nie am Kohlenstoffkreislauf teilgenommen. Es gibt keinen Startpunkt; zudem wäre nach Jahren praktisch kein mehr messbar. Uran-Blei an Holz: In Jahren zerfällt weniger als ein Millionstel des Urans, was im Messfehler untergeht.
Zusammenfassung
Da für jeden Kern die Zerfallswahrscheinlichkeit unabhängig von seinem Alter konstant ist, ist die Zahl der Zerfälle je Zeit der Zahl der noch vorhandenen Kerne proportional, und daraus folgt der exponentielle Verlauf des Zerfallsgesetzes. Die Zerfallskonstante hängt über den natürlichen Logarithmus von zwei mit der zusammen, und beide Schreibweisen des Gesetzes sind gleichwertig. Die Aktivität als Zahl der Zerfälle je Sekunde folgt aus Zerfallskonstante und Kernzahl, weshalb eine kurze Halbwertszeit eine hohe Aktivität bedeutet und ein lange strahlender Stoff gerade schwach strahlt. Aus dem Gesetz gewinnt man Uhren für sehr verschiedene Zeiträume, von der Kohlenstoffmethode für organische Funde bis zur Uran-Blei-Methode, mit der das Alter der Erde bestimmt wurde. Weil der Zerfall ein Zufallsprozess ist, schwanken Messwerte, und die relative Unsicherheit sinkt nur mit der Wurzel aus der Zahl der gezählten Ereignisse.


