Robert Klatt
Die Halbwertszeit des Isotops Samarium-146, die in der Geologie und Astronomie für Alterungsbestimmungen von Proben verwendet wird, war bisher umstritten. Physiker haben den Wert nun mit hoher Genauigkeit ermittelt.
Villigen (Schweiz). Die Wissenschaft nutzt zur Alterungsbestimmung von Asteroiden, Mondgestein und anderen, sehr alten Proben meistens radioaktive Isotope mit sehr langen Halbwertszeiten. Dazu gehört auch Samarium-146, ein Isotop des Seltenerdmetalls Samarium, das in Millionen von Jahren unter Abgabe eines Heliumkerns zu Neodym-142 zerfällt. Bestimmungen der Halbwertszeit von Samarium-146 kamen bisher jedoch zu stark unterschiedlichen Ergebnissen, darunter 98 Millionen Jahre und 103 Millionen Jahre. Samarium-146 konnte deshalb bisher nicht für eine exakte Alterungsbestimmung von Proben verwendet werden.
Forscher des Paul Scherrer Institut (PSI) um Nadine Chiera haben nun die Halbwertszeit des Isotops Samarium-146 mit hoher Genauigkeit ermittelt. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Scientific Reports haben sie dazu die Halbwertszeit anhand der Anzahl der Atome in einer Probe und die Zerfallsrate innerhalb dieser Atommenge bestimmt. Weil es selbst bei Isotopen mit sehr hohen Halbwertszeiten einige Atome gibt, die zufällig im beobachteten Monat zerfallen, kann aus ihrem Anteil die Halbwertszeit extrapoliert werden.
Um das Experiment durchführen zu können, mussten die Physiker zunächst ausreichend hochreinen Samariums-146 gewinnen. Sie haben dazu radioaktiv bestrahltes Tantal verwendet, ein Übergangsmetall, in dem bei der Aktivierung unter anderem Samarium-146 entsteht. Anschließend haben sie mit einem mehrstufigen chemischen Trennprozess das hochreine Samarium-146 abgeschieden.
Die Forscher mussten nun die Zerfallsrate des Samariums-146 möglichst genau ermitteln. Sie haben dazu die ultradünne Samariums-146-Schicht knapp drei Monate mit einem Alpha-Spektrometer beobachtet. Das Instrument zeigt, wann ein Samarium-146-Atom zerfällt und dabei einen Heliumkern freisetzt. Laut der Messung kam es in der Probe zu 54 Alpha-Zerfällen pro Stunde.
Um die Halbwertszeit des Isotops bestimmen zu können, mussten die Wissenschaftler aber noch ermitteln, wie viele Samarium-Atome in der Probe enthalten sind. Die Anzahl der Atome haben sie mit mehreren Massenspektrometern ermittelt. Zunächst haben sie die Gesamtzahl aller Samarium-Isotope in der Probe bestimmt und anschließend den Anteil der Samarium-146-Isotope.
Auf Basis dieser Daten konnten die Forscher Halbwertszeit von Samariums-146 berechnen, die bei 92 ± 2,9 Millionen Jahren liegt. In Zukunft können andere Studien die präzise bestimmte Halbwertszeit nutzen, um das Alter von Proben mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können.
„Unser Ergebnis ist damit das bisher genaueste.“
Die Forscher erklären, dass ihr Ergebnis zu den theoretischen Erwartungen passt, die auf Basis von astronomische und geologischen Datierungen erstellt wurden. Ihr Resultat ist vorerst aber nur ein Zwischenschritt, das noch unabhängig verifiziert werden muss.
„Den einen richtigen Wert für die Halbwertszeit von Samarium-146 gibt es noch nicht. Unser Ergebnis ist zwar sehr genau, es muss aber nun von anderen Gruppen bestätigt und weiter verbessert werden.“
Scientific Reports, doi: 10.1038/s41598-024-64104-6
