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Elektronen, die Aufzug fahren? Noch nie gehört? Dann bist du hier genau richtig! Denn in diesen Elektronen, von denen im Folgenden die Rede sein wird, steckt eine Menge Information, die sich die Wissenschaft zum Nutzen macht. Doch fangen wir von vorne an:
Jeder hat sicherlich schon einmal von der bekannten C-14 Datierung gehört oder sogar in der Schule lernen müssen. Dabei kann man aus dem Zerfall des Isotops C-14 des Kohlenstoffatoms die verstrichene Zeit seit dem Absterben des organischen Materials bestimmen. Aber nicht überall, wo man Altersdatierung durchführen möchte, ist organisches Material zu finden.
Man bräuchte also ein Material, das sehr häufig auf der Erde vorkommt. Silizium ist eines davon, denn es ist nach Sauerstoff, wenn man nur den Massenanteil betrachtet, das zweithäufigste Element der Erdhülle und in vielen chemischen Verbindungen vorhanden. Quarze, die die chemische Formel SiO_2 (man erkennt darin das Element Silizium „Si“) besitzen, und Feldspäte sind sowohl in vielen Festgesteinen (z.B. Granit), als auch in Lockersedimenten (z.B. Sand) oder in archäologischen Fundstücken (z.B. Keramik) vorhanden und somit bestens zur Datierung geeignet, da vielseitige Probennahmen möglich sind, aus denen das Alter datiert werden kann. Gleich an dieser Stelle ist es wichtig zu erwähnen, dass, obwohl man immer von Quarz (SiO2) schreibt, immer auch Verunreinigungen bei der Kristallbildung mit eingeschlossen werden und somit auch andere Elemente mit in den Kristall verbaut werden können. Diese sind sehr wichtig, denn sonst würde man keinerlei Datierung durchführen können. Dazu aber später mehr.
Wo bleiben jetzt aber die Aufzugfahrenden Elektronen und was hat das mit einer Zeitmessung zu tun?
Dazu muss man die oben genannten Mineralien Quarz und Feldspat mal etwas genauer betrachten. Beide sind elektrisch nichtleitende Festkörper und in der Festkörperphysik gibt es ein berühmtes „Bild“ für diese Materialien, das sogenannte Bändermodell, das in folgender Abbildung 1 dargestellt ist.
Diese Abbildung enthält gleich vier kleinere Bilder, die nun im Folgenden erklärt werden müssen.
Ganz allgemein gilt, wenn man vom Bändermodell spricht, dass nichtleitende Festkörper ein sogenanntes „Valenzband V“ (in grün gezeichnet) besitzen. Das ist das bei einer bestimmten Temperatur energetisch höchste von Elektronen vollständig besetzte Band. Im Gegensatz dazu gibt es auch ein Leitungsband, das jedoch energetisch am niedrigsten völlig unbesetzt ist mit Elektronen. Dazwischen gibt es eine „Lücke“, auch verbotene Zone genannt. In idealen, perfekten Kristallen ist es Elektronen verboten sich darin aufzuhalten.
Man kann sich das ungefähr so vorstellen wie in einem vierstöckigen Hochhaus: Das Erdgeschoss ist bewohnt von Hr. und Fr. Elektron während in der ersten und zweiten Etage garkeine Wohnungen vorhanden sind. Erst wieder in der dritten Etage ist eine Wohnung, die jedoch leer steht.
Jetzt gibt es in der Natur jedoch keine perfekten Kristalle und wie oben schon beschrieben gibt es immer Verunreinigungen, welche innerhalb der Bandlücke zu neuen Energieniveaus führen. Diese sind in Abbildung 1 in Teilbild 1 eingezeichnet. Damit gibt es nun auch in der eigentlich verbotenen Zone die Möglichkeit, dass sich Elektronen dort aufhalten können.
Mit dem Bild des Hochhauses gesprochen sind nun also auch in der ersten und zweiten Etage Wohnungen vorhanden, deren Vermieter quasi die Verunreinigungen sind.
Erinnern wir uns wo wir Quarze und Feldspäte finden: Sie sind in allen möglichen Gesteinen vorhanden, wo sich auch jede Menge andere Elemente befinden, z.B. Uran und Thorium und vor allem Kalium. Das sind Elemente, die durch \alpha, \beta und \gamma Zerfall eine schwache, ionisierende Strahlung aussenden. Eine andere mögliche Quelle für energetische Strahlung ist die kosmische Höhenstrahlung. All das kann auf unser betrachtetes System und damit auf unsere Elektronen einfallen. Nochmals veranschaulicht zeigt diesen Zusammenhang Abbildung 2:
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