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Eine Kuriosität der Natur und ein sehr langlebiger Beta-Strahler

Argon 40, ein Gas, das von Lava gefangen gehalten wird
Die Kalium-Argon-Methode wird häufig zur Datierung von Lavaströmen verwendet, deren Alter zwischen einer Million und einer Milliarde Jahren liegt. Wenn ein Kalium-40-Atom in Argon-40 zerfällt, wird das entstehende Argon-Atom von der kristallinen Struktur der Lava gefangen gehalten. Es kann nur entweichen, wenn sich das Gestein in seinem geschmolzenen Zustand befindet, und so erlaubt die Menge an versteinertem Argon in der Lava den Wissenschaftlern, das Alter der Erstarrung zu datieren.
DR

Kalium 40, ein Radioisotop, das in Spuren in natürlichem Kalium vorkommt, ist der Ursprung von mehr als der Hälfte der menschlichen Körperaktivität: Es durchläuft zwischen 4 und 5.000 Zerfälle pro Sekunde bei einem 80 kg schweren Mann. Zusammen mit Uran und Thorium trägt Kalium zur natürlichen Radioaktivität der Gesteine und damit zur Erdwärme bei.
Dieses Isotop macht ein Zehntausendstel des natürlich vorkommenden Kaliums aus. In Bezug auf das Atomgewicht liegt es zwischen zwei stabileren und weitaus häufigeren Isotopen (Kalium 39 und Kalium 41), die 93,25 % bzw. 6,73 % des gesamten Kaliumvorrats der Erde ausmachen. Mit einer Halbwertszeit von 1,251 Milliarden Jahren existierte Kalium 40 in den Überresten toter Sterne, aus deren Anhäufung das Sonnensystem mit seinen Planeten entstanden ist.

Die beiden Zerfallskanäle von Kalium 40
Das Zerfallsschema von Kalium-40 ist ungewöhnlich. Die Massenenergie des Atoms liegt über der seiner beiden Nachbarn aus der Familie der Atome mit 40 Nukleonen im Kern: Argon-40 mit einem Proton weniger und Calcium-40 mit einem Proton mehr. Kalium-40 hat zwei Zerfallskanäle offen. Der Beta-Minus-Zerfallskanal, der zu Kalzium-40 führt, ist bei weitem der häufigste, aber Zerfälle, die durch elektronischen Einfang zu Argon-40 führen, treten mit einer Rate von 11 % auf. Bemerkenswert ist auch die sehr lange Halbwertszeit von 1;251 Milliarden Jahren, außergewöhnlich für einen Betazerfall. Dies wird durch einen großen Sprung in der inneren Rotation (oder Spin ) des Kerns während des Zerfalls erklärt, der den Übergang fast verbietet, besonders schwierig und daher extrem langsam macht.
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Kalium 40 hat die ungewöhnliche Eigenschaft, in zwei verschiedene Kerne zu zerfallen: in 89% der Fälle führt der beta-negative Zerfall zu Kalzium 40, während in 11% der Fälle Argon 40 durch Elektroneneinfang gefolgt von Gamma-Emission bei einer Energie von 1.46 MeV

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Dieser 1,46 MeV-Gammastrahl ist wichtig, da er uns erlaubt, zu erkennen, wann Kalium 40 zerfällt. Die Beta-Elektronen, die zu Kalium führen, werden jedoch nicht von Gamma-Strahlen begleitet, haben keine charakteristischen Energien und schaffen es nur selten aus den Gesteinen oder Körpern, die Kalium 40 enthalten.
Beta-Minus-Zerfall zeigt einen Kern mit zu vielen Neutronen an, Elektroneneinfang einen Kern mit zu vielen Protonen. Wie kann Kalium 40 gleichzeitig zu viele von beidem haben? Die Antwort offenbart eine der Besonderheiten der Kernkräfte.

Von Kalium 40 zu Argon 40
Der Elektroneneinfang, der Kalium 40 im Grundzustand in Argon 40 verwandelt, findet nur in 0,04% der Fälle statt. Weitaus häufiger (in 10,68% der Fälle) führt ein indirekter Einfang zu einem angeregten Argon-Atom, das durch Aussenden eines Gammastrahls mit einer Energie von 1,46 MeV in seinen Grundzustand zurückkehren muss. Ohne diese charakteristische Gammastrahlung wäre es unmöglich, den Zerfall von Kalium 40 nachzuweisen und zu identifizieren. Die dabei emittierten Neutrinos entziehen sich dem Nachweis. Die Beta-Elektronen des Zerfalls in Kalium 40 (89,3 % der Zeit) werden nicht von Gammastrahlen begleitet und werden im Allgemeinen in dem Medium, in dem sie sich befinden, absorbiert.
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Stabile Kerne sitzen am Boden eines sogenannten „Tals der Stabilität“, ein Konzept, das hilft zu bestimmen, ob ein Kern radioaktiv ist oder nicht. Kalium 40 sollte sich am unteren Ende dieses Tals befinden und der stabilste der Kerne mit 40 Nukleonen sein. Seine Massenenergie (oder innere Energie) ist jedoch tatsächlich größer als die seiner beiden Nachbarn – Kalzium 40 und Argon 40. Dieser Unterschied reicht aus, um Kalium 40 unstabil zu machen. Der Grund dafür ist, dass Protonen, wie auch Neutronen, gerne in Paaren in einem Kern existieren. Kalium 40 enthält eine ungerade Anzahl von beiden – 19 Protonen und 21 Neutronen. Folglich hat es ein Junggesellen-Proton und ein Junggesellen-Neutron. Sowohl in Argon 40 als auch in Calcium 40 ist die Anzahl der Protonen und Neutronen jedoch gerade, was ihnen diese zusätzliche Stabilität verleiht.
Der sehr langsame Zerfall von Kalium 40 in Argon ist sehr nützlich für die Datierung von Gesteinen, wie z. B. Lava, deren Alter zwischen einer Million und einer Milliarde Jahren liegt. Beim Zerfall von Kalium in Argon entsteht ein gasförmiges Atom, das zum Zeitpunkt der Kristallisation der Lava gefangen ist. Das Atom kann entweichen, wenn die Lava noch flüssig ist, aber nicht nach der Erstarrung. Zu diesem Zeitpunkt enthält das Gestein eine gewisse Menge an Kalium, aber kein Argon. Mit der Zeit und den Kalium-40-Zerfallserscheinungen sammeln sich die gasförmigen Argon-Atome sehr langsam in der Lava an, wo sie gefangen sind. Die Messung der Menge an Argon 40, die sich seit der Erstarrung der Lava gebildet hat, ermöglicht eine genaue Messung des Gesteinsalters.
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