Die Bedeutung der Isotopenforschung für geochemische und kosmochemische Probleme. Die Nichterhaltung der Parität

59 Pages·1958·2.483 MB·German

by  Friedrich Paneth, J. H. D. Jensen, H. A. Weidenmüller (auth.)

ARBEITSGEMEINSCHAFT FOR FORSCHUNG
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
67. Sitzung
am 23. Januar 1957
in Dusseldorf
ARBEITSGEMEINSCHAFT FOR FORSCHUNG
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
HEFT 67
Friedrich Paneth
Die Bedeutung der Isotopenforschung
fUr geochemische und kosmochemische Probleme
Jensen • Weidenmuller
Die Nichterhaltung der Paritat
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-322-98082-3 ISBN 978-3-322-98721-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-98721-1
© 1958 Springer Faclnnedien Wiesbaden
Urspriinglich erschienen bei W e.tdeu tsc her Verlag, Kij!n und 0 plad en 1958.
Reprint of the original edition 1958
INHALT
Prof. Dr. phil. Friedrich Paneth, Mainz
Die B-edeutung cler Isotopenforschung fUr geochemische
und kosmochemische Probleme. . . . . . . . . .. 7
Diskussionsbeitrage
von Prof. Dr. Wilhelm Groth, Prof. Dr. phil. Friedrich
Paneth, Prof. Dr. phil. Walter Weizel, Prof. Dr. rer. nat.
Heinrich Behnke, Prof. Dr. phil. Siegfried Strugger, Prof.
Dr. phil. Bernhard Rensch, Prof. Dr. phil. Wilhelm
Klemm, Landtagsabgeordneter Buttner, Staatssekretar
Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt . . . . . . . .. 37
Prof. Dr. rer nat. J. Hans D. Jensen, Heidelberg, uod H. A.
Weidenmuller, Heidelberg
Die Nidltemaltung <ler Paritat . . . . . . . . .. 43
Die Bedeutung der Isotopenforschung
fur geochemische und kosmochemische Probleme
Von Professor Dr. phil. Friedrich Paneth, Mainz
Vortrag gehalten in Dusseldorf am 23. Januar 1957 in der 67. Sitzung der
Arbeitsgemeinschaft fur Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen *
1m Jahre 1905 erschien ein Buch des bekannten englischen Geologen W. J.
Sollas unter dem Titel "Das Alter der Erde". Man wird darin vergeblich
nach bestimrnten Zahlen suchen. Um eine Vorstellung wenigstens von der
relativen Dauer der geologischen Perioden zu geben, stellte der Autor in
einer Tabelle ,die maxirnale Dicke der SedirnentJe zusammen. Sie sehen hier
eine WiedergaJbe (Tabelle 1). Sollas bemerkte clazu: "Wie unermeBlich ware
Tabelle 1
Die Perioden der Erdgeschichte (nach W. J. Sollas)
Feet.
Recent and Pleistocene 4,000 Man.
Pliocene 5,000 Pithecanthropus.
Miocene 9,000
Oligocene 12,000
Eocene 12,000 Eutheria.
Cretaceous 14,000
Jurassic 8,000
Trias 13,000 Mammals.
Permian 12,000 Reptiles.
Carboniferous 24,000 Amphibia.
Devonian 22,000 Fish.
Silurian 15,000
*) Der Autor spricht der Schriftleitung der Svensk Kemisk Tidskrift seinen Dank aus
fur die Erlaubnis, das Manuskript eines in Stockholm gehaltenen und in Svensk. Kern.
Tidskr. (69, Mai 1957, S.257) abgedruckten Vortrags flir vorliegende Veroffentlichung
zu verwenden.
8 Friedrich Panetlh
Feet.
Ordovician 17,000
Cambrian 16,000 Invertebrata
Keweenawan 50,000
Penokee 14,000
Huronian 18,000
der Fortschritt unserer Wissenschaft, wenn wir die wichtigsten Ereignisse
der Erdgeschichte mit einer Zeitskala in Verbindung bringen konnten!" Das
sei zwar schon oft versucht worden, ,doch wie ein Geist aus T ausendund
einer Nacht habe sich die Hoffnung immer wieder verfliichtigt; er vertraue
aber darauf, daB man doch nocheinmal 'den Talisman finden werde, der
den Geist fassen und die Zeitlbestimmung ermOglichen wiirde.
Als Sollas dies sdrrieb, war dieser Talisman bereits entdeckt worden: die
radioaktiven Elemente.
Warum war die geologische Zeitbestimmung um die Jahrhundertwende
noch so vollig unsicher? Bis urn die Mitte des 19. Jahrhunderts hatten sehr
viele Geologen versucht, mit den rund 6000 Jahren der biblischen Schop
fungsgeschichte auszukommen. Wer eine der offiziellen englischen Bibeln in
die Hand nimmt, die von den beriihmten Universitatsdruckereien von
Oxford und Cambridge in Millionen von Exemplaren hergestellt und iiber
die ganze Welt verbreitet worden sind, wird auch heute noch - wenn die
AusgJabe nicht recht neuen Datums ist - am Rand des Textes das Jahr an
gegeben finden, in dem das betreffende Ereignis der bi!hlischen Geschichte
stattgefunden hat; wir erfahren so, daB die Erschaffung der Welt im Jahr
4004 vor Christi Geburt erfolgt ist, daB Kain bereits im Jahr 4003 geboren
wurde, die Sintflut im Jahre 3609 einsetzte usw. - Zahlen, die sich auf die
Berechnungen des Erzbischofs Ussher, eines Freundes von Cromwell,
stiitzen. Eine erste Reaktionging von dem engHschen Geologen James
Hutton aus, der in seiner» Theorie der Erde" im Jahr 1781 zeigte, daB fur
rue Anhaufung der Sedimente auf der Erdkruste viel groikre Zcitraume
notig gewesen sind. Sein Werk hatte unmittelbar keinen mrkeren BinfluB;
der eigentliche Kampf begann erst in den dreilliger Jahren des 19. Jahr
hunderts, als Lyell seine "Prinzipien der Geologie" veroffentIichte, in denen
er viele Millionen von Jahren ffir die Erdgeschichte forderte. Ebenso lange
Zeitraurne waren offenbar notwendig, wenn man die Entstehung der Arten
nach Darwin durch natiirliche Zuchtwahl erklaren wollte; seine Theorie war
nur auf der Basis von Lyells Annahmen diskutabel. Darwin sagte es selbst:
Die Bedeutung der Isotopenforsdlung fur geo- und kosmomemisme Probleme 9
.. Wer Sir Charles Lyells ,groBes Werk les'en kann und nidlt zugesteht, wie
unfaBbar ausgedehnt die verflossenen Zeitperioden waren, der mag mein
Buch sofort schlieBen." Das Hineingreifen ,der vielumstrittenen Darwin
schen Lehre trug zur Verscharfung des Streites iiber das Alter der Erde bei;
noch entschiedener als Lyell und Darwin hatte sich der Schiiler Huttons, der
Geologe Playfair ausgedriickt, welcher erklarte, daB nirgends eine Spur des
Alterwerdens der Erde zu finden sei, daB die Bewegung der Planeten unver
anderlich, und die Dauer des Scheinens der SOl1i1le unendlich sei.
Gegen dieses Schwelgen in unbegrenzt groBen Zahlen wandte sich als
erster William Thomson (der spatere Lord Kelvin). Seine seit den sechziger
Jahren des vorigen Jahrhunderts ersc:heinenden Schriften stellten den friihe
sten Versuch eines Physikers dar, den Geologen bei der Zeitbestimmung zu
Hilfe zu kommen. Kelvins Oberzeugung war, daB Sonne und Erde densel
ben physikalischen Gesetzen der Abkiihlung gehorchen miiBten, wie die
irdischen Matecialien. Die Er;de miisse daher vor 20-40 Millionen J ahren
so heiB gewesen sein,daB Leben ,auf ihr nicht moglich war, also miisse sich
das Leben lLuf der Erde im Laufe von hOchstens 40 Millionen Jahren ent
wickelt haben. Beziiglich der Zukunft sagte er, daB wegen des bestandigen
Wamneverlustes der Sonne die Einwohner der El'de Licht und Warme, die
fiir ihr Leben notwendig sind, nicht fiir viele weitere Millionen Jahre ge
nieBen konnten. Vorsichtigerweise setzte er hinzu: .. Wenn nicht neue
Quellen von Energie, die heute noch unbekannt sind, in der groBen Schatz
kammer der NatlUr vorbereitet sind." Er hielt es aber offenbar fiir viel
wahrscheinlicher, daB die Geologen unrecht hatten, als daB es eine solche
Energiequellegabe, denn er fiihrte diesen Gedanken, den ich nur an einer
einzigen Stelle seiner Schriften ,gefun1den habe, nicht naher aus. Und umge
kehrt verhielten sich auch die Biologen und Geologen so a:bweisend gegen
Kelvins Lehre, daB sie ebensowenig wie er selbst auf diesen Ausweg ein
gingen. Z. B. erklarte Darwins bester Verteidiger Thomas Huxley, daB
Thomsons Beredmungen fiir die Geologie ohne jede B.edeutung seien, da
man bestimmt sagen konne, daB in den Zeitraumen, mit denen diese Wissen
smaft eszu tun habe, nichts von irgendeinem Alterwerden der Erde zu
bemerken sei.
Hatte eine von den beiden streitenden Seiten ,die Behauptungen der Geg
ner so ernst genommen wie ihre eigenen, dann hatte man schon damals klar
erkannt, daB eine noch unbekannte EneI'giequelle vorhanden sein muBte;
denn obwohl die Geologen mit Recht iiberzeugt waren, daB die von Kelvin
angegebene obere Grenze fijr die Dauer des Lebens auf dieser Erde viel zu
10 Friedridt Paneth
klein war, konnten sie dom seine physikaIismen Bered:lnungen nimt wider
legen. Die LOsung des offenkundigen und jahrzehntelang diskutierten
Widersprums erfolgte erst, als die Atomenergie in der Form der Radium
strahlen entdeckt wuroe. DaB hierbei erstaunlim groBe Warmemengen frei
gemamt werden, zeigte besonders augenfallig im Jahre 1903 der beriihmte
Versum von Pierre Curie und A. Laborde, welme beobamteten, daB man
die Warmeentwicklung tines starkeren Radiumpraparates ganz einfach
durch ein Quecksilberthermometer, ,das man in die Nahe bringt, namweisen
kann. Kurz darauf gelang es R. J. Strutt (clem nammaligen 4. Baron Ray
leigh) zu zeigen, daB Radium in allen Gesteinen der Erde verbreitet und in
genugend groBen Mengen vorhanden 1St, urn durm die erzeugte Warme
einen sehr wesentlichen Beitrag zur Temperatur der Erde zu liefern. Es
wurde nunmehr klar, daB die von Kelvin erwmnte, aber kaum ernsooaft
erwogene unbekannte Energiequelle tatsachlim in der Erde vorhaO'den ist,
und daB deswegen seine Berechnungen uber die Abkiihlung der Erde jeder
praktischen Grundlage entbehrten
1.
Wir wissen heute, daB die Entdeckung der Atomenergie die Schwierig
keiten, die KelViin aufgezeigt hatte, nimt nur fur die Erde, sondern auch
fur die Sonne tatsamlich vollig beseitigt hat. Der Zerfall der radioaktiven
Stoffe inder Erde erzeugt so viel Warme, daB es unsicher ist, ob sie sich
uberhaupt abkiihlt; sie braucht jedenfalls nicht vor 40 Millionen Jahren
sm.
feuerflussig gewesen zu Und der Aufbau der Elemente in der Sonne
ermoglicht es dieser, ihre Strahlung uber Tausende von Jahrmillionen zu er
halten. Wahrend wir die Vorgange in der Sonne nur theoretism er,fassen
konnen - im weise hier auf die Oberlegungen hin, die <las Entstehen der
memismen Elemente in der Sonne aus leichteren Elementen unter Frei
setzung groBter Enel"giemengen verstandlim gemacht haben -, sind wir in
bezug auf die Erde nimt auf Spekulationen angcwiesen, sondern konnen
eine Reihe von Beobachtungen machen, die es uns ermOglimen, das Alter der
Eroe mit einer Sicherheit festzulegen, die man O'ie erhofft hatte.
1m Prinzip kann man zur Zei1lbestimmung nam radioaktiv,er Methode
aIle sogenannten "primaren Radionuklide" verwenden. Diese sind aller
Wahrsmeinlichkeit nam gleichuitig mit den Nukliden der stabilen Elemente
1 Kelvin lebte lange genug, um nom von diesen beiden wimtigen Entde<kungen zu er
fahren, lehnte es aber durmaus ab, ihre Bedeutung anzuerkennen, obwohl Strutt sie ihm
personlim zu erklaren versumte. In dessen Lebenserinnerungen steht als einziger Erfolg:
,,1m fiel rasm in Ungnade bei Lord Kelvin". Wir diirfen nimt vergessen, daB Kelvin
damals (Juni 1906) bereits 82 Jahre war; er starb wenige Monate spater.
Die Bedeutung der Isotopenforschung fur geo- und kosmomemische Probleme 11
entstanden, heute aber wegen ihr,es Z,erfalls in g,eringerer Menge vorhan
den als zur Zeit [hrer Bildung; ja es ist durchaus moglich, daB manche
primaren Radioelemente heute bereits praktisch vollig ausgestorben sind
und nicht mehr nachg,ewiesen, sondern hochstens ,aus ihren friiheren Wir
kuugen erschlossen werden konnen. Andere sind aber noch in meBbarer
Menge vorhanden und verwandeln sich bestandig in stabile Endprodukte,
die Isotope bekannter chemischer Elemente sind. Die darauf gestiitzte Be
rechnung des Alters eines Minerals geschieht ~ie folgt: Wir bestimmen in
derselben Probe die Menge des Radioelements und seines stabilen Zerfalls
produktes: cia wir aus der Zerfallsgeschwindigkeit des Radioelements wissen,
wieviel von dem Zerfallsprodukt pro J.ahr er~eugt wird, konnen wir aus
dessen Menge unmittelbar erschlieBen, wieviel Jahre hindurch seine Bildung
stattgefunden hat.
Obwohl das zugrunde liegende Prinzip demnach uniibertrefflich einfach
ist, ist die praktische Durchfiihrung mit so vielfaltigen Schwierigkeiten be
setzt, daB man von der sehr ansehnlichen Zahl von Altersbestimmungen, die
nach dem radioaktiven Verfahren ausgefiihrt worden sind, nur eine ver
haItnismaBig kleine Auswahl als wirklich zuverlassig ansehen kann. Um
dies zu erlautern, lassen Sie uus zunachst die TabeUe der heute mit Sicher-
TabeJle 2
Die primaren Radionuklide
Isotopen-
Nuklid Haufigkeit Zerfallsart T Stabile
in % in Jahren Endprodukte
235U 0,715 at 7,lxl08 207Pb,4He
4°K 0,012 ~ (89 %), e(ll %) 1,3 X 109 4OCa,40A
238U 99,28 at 4,5 X 109 206Pb,4He
232Th 100 at 1,4x 1010 208Pb,4He
176Lu 2,60 2,2 X 1010 176Hf
~
87Rb 27,8 5,Ox 1010 87Sr
~
187Re 62,9 ~ 6,3 X 1010 1870S
147Sm 15,1 at 1,3 X 1011 143Nd,4He
138La 0,089 e (90 %), ~ (10 %) 2 X 1011 138Ba, 138Ce
190Pt 0,012 at 5 X 1011 186Os,4He
1151n 95,8 ~ 6 X 1014 115Sn
144Nd 23,9 at 3 X 1015 14°Ce,4He
12 Friedrich Paneth
heit bekannten primaren RadionukLide betramten (Tabelle 2). Sie sehen,
daB zwolf primare Radionuklide in diese Tabelle aufgenommen sind; sie
sind nam ~unehmenden Halbwertszeiten geordnet. Nicht alle konnen zu
Altersbestimmungen verwendet werden, denn wenn die Halbwertszeit
auBerordentlim groB ist, so sind die Mengen der wahrend der ErdgesdUmte
entstandenen ZerfaIlsprodukte zu gering, um gemessen xu werden. Dies
gilt fiir die Elemente Neodym und Indium, die am unteren Ende der Tabelle
stehen, mit Halbwertszeiten von 1016 und 1014 Jahren. Eine weitere Schwie
rigkeit, die auftreten kann, besteht darin, daB nimt die Hauptmenge des
Elements zerfallt, sondern daB nur ein kleiner Brumteil seiner Atome radio
aktiv ist; wenn nur diese wenig,en radioaktiven Atome zerfallen und die
Halbwertszeiten groB sind, ist es klar, daB die Smwierigkeiten der analy
tisch chemismen Bestimmung der Endprodukte ehenfalls uniiberwindlich
sein konnen; dies trifft fiir die radioaktiven Isotope des Platins und des
Lanthans w. Beim Samarium wiederum liegtder Fall deswegen sehr un
giinstig, weil hier das Zerfallsprodukt Neodym, ebenso wie das Radio
element, zur Gruppe der seltenen Erden gehort, und diese bekanntlich aus
geochemisdten Griinden eine so groBe Neigung zum gemeinsamen Vorkom
men zeigen, daB keine Aussicht besteht, die Menge des durm Zerfall ent
standenen Neodym isoliert festzustellen; das andere stabile Endprodukt,
'He, diirfte in den meisten Fallen durch 'Heaus dem Uran- und Thor
gehalt der seltenen Erdmineralien iiberdem.t SM. Die sieben primaren
Radionuklide, die im oberen Teil der TabeIle stehen, konnen alle zu Alters
hestimmungen verwendet werd .. aber aum hier treten verschiedenartige
Schwierigkeiten auf, die wir kurz oesprecb.en wollen.
Am langsten in Gebrauch sind die geologismen Altersbescimmungen nach
der sogenannten "Bleimethode" und der »Heliummethode"; beide wurden
schon 1905 angewendet, die erstere von Boltwood, die letztere von Strutt.
Beide Methoden beruhen daTauf, daB die Elemente Uran und Thor nam
Aussendung einer bestimmten Zahl von a-Teilmen, die sich als Heliumgas
ansammeln, in stabile Bleiisotope iibergehen. Es sollte also moglich sein,
nach dem oben geschilderten Prinzip aus der Menge des Heliums oder des
Bleis, die Zeit zu bestimmen, wahrend ,derer sim aus dem vorhandenen
Uran und Thor diese beiden Produkte gebildet haben. Bei der Anwendung
der Bleimethode liegt die Hauptsmwierigkeit darin, daB aIle Minerale Blei
als primares stabiles Element enthalten, fiir die Altersberec:hnung aber nur
die Mengen von Blei 207, Blei 206 und Blei 208 in Redmung gesetzt wer
den diirfen, die sich aus den Radionukliden Uran 235, Uran 238 und Tho-