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Verschiedene geochemisch-analytische und mikroskopische Untersuchungsmethoden werden durch den Einsatz von nuklearen Sonden und
Ionenstrahlen ermöglicht.
Mit den unten beschriebenen Verfahren
kann man die Zusammensetzung von Materialien untersuchen, doch auch bei der 14C-Datierung mit Hilfe der
Massenspektrometrie wird ein Ionenstrahl verwendet.
Geowissenschaftliche Fragen spielten von Anfang an eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der
Instrumente für die Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS).
Typische Anwendungen sind zum Beispiel
Spurenelementmessungen mit der Ionen-Mikrosonde (d.h. SIMS-Apparatur) zum Verständnis der Entstehung und Entwicklung von magmatischen Gesteinen,
Isotopenmessungen in der Geo- und Kosmochemie und Diffusionsmessungen vor allem von Sauerstoff in Mineralen. Eine Spezialanwendung der SIMS ist
das Ionen-Mikroskop. Bei dieser Technik erfolgt der Sekundärionennachweis ortsaufgelöst, so dass man ein Abbild bestimmter Elemente der Probenoberfläche
erzeugen und so laterale Elementverteilungen direkt visuell darstellen kann.
Eine Analysemethode, die erst in den letzten drei Jahrzehnten entwickelt und verfeinert wurde, benutzt als "Werkzeug" einen hochenergetischen, fokussierten
Protonenstrahl, die Protonenmikrosonde. Die durch Protonen induzierte Emission von Röntgenstrahlung wird als
PIXE
(Proton Induced X-ray Emission) bezeichnet.
Darunter kann auch die etwas weiter gefaßte "Particle Induced X-ray Emission" verstanden werden, die außer Protonen auch andere (leichte) Ionen, wie
z.B. Deuteronen oder α-Teilchen als Projektil mit verwendet. Mit der Mikrosonde werden häufig auch andere Untersuchungsmethoden angewandt, die
eine zweckmäßige Ergänzung der PIXE darstellen. Die elastische Rückwärtsstreuung (Rutherford Back Scattering,
RBS)
der Protonen an den Kernen leichter
Atome (C,N,O) ermöglicht die quantitative Bestimmung dieser Elemente. Dies ist im Allgemeinen mit PIXE nicht möglich, da der Elementnachweis hier erst bei
höherer Ordnungszahl durchgeführt werden kann.
Verschiedene andere leichte Elemente (Li, F, Na, Mg, Al) können über die γ-Strahlung nachgewiesen werden, die nach Beschuss mit hochenergetischen
Projektilen vom Atomkern emittiert wird (Proton induced γ-Emission,
PIGE).
Ähnliches gilt für Kernreaktionen, die durch Protonen oder andere
leichte Ionen ausgelöst werden (Nuclear Reaction Analysis,
NRA).
Die Reaktionsprodukte bzw. deren Energien sind spezifisch für das Isotop.
So wird z.B. auch der Nachweis von Wasserstoff möglich, durch Variation der Teilchenenergie kann sogar dessen Tiefenprofil in der Probe bestimmt werden.
Beispiele für Anwendungen der Protonenmikrosonde sind Elementbestimmungen in Mineralen und Gesteinen wie Proben von Mondgestein,
Proben im Zusammenhang mit Erzlagerstätten, Bestimmnug von Spurenelementen in Diamant-Einschlüssen, Schwermetallgehalte in sekundär
in marinen Sedimenten gebildeten Calcit- oder Gipskristallen, aber auch Altersbestimmungen anhand des U/Pb- bzw. des Th/Pb-Verhältnisses in Zirkonen.
Auch die Neutronenaktivierungsanalyse
(NAA)
ist eine Methode, die üblicherweise zur Bestimmung von Elementen, die in Mikro- und Spurenkonzentrationen vorliegen, verwendet wird.
Bei der Bestrahlung mit Neutronen werden radioaktive Nuklide erzeugt, deren Strahlung sowohl eine sichere qualitative Identifizierung
ermöglicht als auch proportional der Menge der in der Probe vorhandenen Elemente ist und daher eine Quantifizierung erlaubt.
Quelle: Physikalisch-chemische Untersuchungsmethoden in den Geowissenschaften, 2001
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Physik mit Ionenstrahlen - Innovative Forschung in Deutschland
Alle lebenden Organismen enthalten Kohlenstoff und einen Teil dieses Kohlenstoffs wird nach ihrem
Tod in Sedimenten erhalten. Vom Kohlenstoff (Symbol C) gibt es drei natürlichen Isotope, die bei
den gleichen chemischen Eigenschaften unterschiedliche Massen haben; die atomaren Massen
12, 13 und 14.
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Physik mit Ionenstrahlen - Innovative Forschung in Deutschland
Die Wahrscheinlichkeit, daß ein großer Stern nahe unseres Sonnensystems als Supernova (SN) explodiert, und damit verbundene mögliche Auswirkungen
auf die terrestrische Biosphäre werden schon länger diskutiert. Bisher gibt es nur indirekte Hinweise,
daß ein solches Ereignis im Verlauf der Erdgeschichte stattgefunden haben könnte.
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