Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Die Anzahl der Protonen bestimmt das chemische Element. So hat z.B. ein Kohlenstoff Atomkern stets 6 Protonen. Die Anzahl der Neutronen kann nun variieren: der überwiegende Anteil an Kohlenstoff in der Natur hat 6 Neutronen, also insgesamt 12 Kernteilchen. Die Anzahl der Neutronen legt also das Isotop fest, welches in diesem Fall mit Kohlenstoff-12, oder 12C, notiert wird.
Ungefähr eins aus einer Billionen Kohlenstoff-Atome in der Natur hat stattdessen 8 Neutronen, 14C. Lebende Organismen nehmen diesen Kohlenstoff bis zum Ende ihres Lebenszyklus auf. Das 14C Isotop ist instabil und zerfällt im Mittel nach ca. 6000 Jahren. Bestimmt man nun die Anzahl der 14C Atome in einer Probe, kann man präzise das Alter dieser Probe bestimmen: ältere Proben haben weniger 14C Atome da schon mehr Zeit vergangen ist und damit auch mehr 14C Atome zerfallen sind.
Da die Anzahl der 14C Atome in den Proben sehr klein ist, benötigt man die Beschleuniger-Massenspektrometrie (Accelerator Mass Spectroscopy, AMS) um das 14C Isotop vom viel häufigeren 12C Isotop zu trennen.
Köln beherbergt zwei solche Beschleuniger, welche für AMS Messungen verwendet werden: die 6MV TandetronMaschine sowie den 10MV FN-Tandem Beschleuniger. Das Schema der 6MV AMS Anlage ist in dem nächsten Bild gezeigt.
Zunächst wird die aufbereitete Probe in eine sogenannte Ionenquelle eingeführt, welche die Atomkerne der Probe auslöst und dann in einen Teilchenbeschleuniger einspeist. Der Beschleuniger erhöht die Geschwindigkeit der Atomkerne und schickt die Teilchen durch eine dünne Folie, die in der Mitte des Beschleunigertanks sitzt. Durch diesen Prozess werden störende Moleküle wie z.B. 13C-H beseitigt. Dies ist ein ganz wichtiger Schritt, da ein solches Molekül sonst später fälschlicherweise als 14C Teilchen gezählt werden könnte.
Nachdem die Teilchen den Beschleunigertank verlassen haben, werden sie mittels eines starken Elektromagneten umgelenkt. Hierbei findet nun die eigentliche Trennung der Atome statt: die etwas schwereren 14C Atome driften etwas mehr nach außen als die 13C und 12C Atome, so wie in diesem Bild dargestellt:
Weitere Elemente der Anlage sorgen dafür, dass keine anderen Teilchen zufällig als 14C Teilchen identifiziert werden. Ganz am Ende der Anlage werden die seltenen 14C Teilchen Atom für Atom in einem mit Gas gefüllten Detektor nachgewiesen. Wir können es damit schaffen, aus einer Probe mit vielen Billionen herkömmlichen Kohlenstoffatomen die wenigen 14C Atome einzeln nachzuweisen.
Neben Kolenstoffisotopen kann die AMS Methode für viele weitere Isotope verwendet werden. Damit ergeben sich Anwendungen in verschiedensten Bereichen der Grundlagenforschung und des täglichen Lebens.
Unten finden Sie weitere Informationen zu den Beschleunigern (inklusive virtueller Tour!) sowie zu den aktuellen Forschungsprojekten der Beschleuniger-Massenspektrometrie.
