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Anwendung von nukleare Sonden und Ionenstrahlen in den Geowissenschaften

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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