Rhenium-Osmium-Chronometer

Das Rhenium-Osmium-Chronometer wird als isotopengeochemische Methode zur radiometrischen Altersbestimmung geologischer Materialien herangezogen.

Grundlage für diese Methode ist der radioaktive Zerfall des Isotops ¹⁸⁷Re (Rhenium) zu ¹⁸⁷Os (Osmium) mit einer Halbwertszeit von 4,1577 · 10¹⁰ Jahren.^[1] Diese lange Halbwertszeit erlaubt es, das Nuklidpaar ¹⁸⁷Re und ¹⁸⁷Os (Osmium) als Chronometer für den r-Prozess zu verwenden.^[2][3] Diese Idee stammte ursprünglich von D. E. Clayton. ¹⁸⁷Re wird ausschließlich im r-Prozess erzeugt, während ¹⁸⁷Os primär ausschließlich im s-Prozess erzeugt wird. Über das Nachbarisotop ¹⁸⁸Os kann man auf die S-Prozess-Häufigkeit von ¹⁸⁷Os rückschließen. Das übrige ¹⁸⁷Os muss durch den Zerfall von ¹⁸⁷Re entstanden sein. Das Verhältnis der Häufigkeiten von ¹⁸⁷Re und dem nicht primär erzeugten ¹⁸⁷Os ist dann mit dem Beginn von r-Prozess Ereignissen in unserer Galaxie und somit auch mit dem Alter unserer Galaxie korreliert.

Die Korrelation ist aber nicht exakt da zuvor einige Korrekturen angewendet werden müssen, um die physikalischen Eigenschaften der beteiligten Kerne und Reaktionen zu berücksichtigen. Die Halbwertszeit von ¹⁸⁷Re ändert sich unter stellaren Bedingungen, wie sie z. B. in AGB-Sternen vorliegen, drastisch. Durch die vollständige Ionisierung der Atomhülle ist ein Beta-Zerfall in einen gebundenen Zustand möglich und die Halbwertszeit sinkt um 9 Größenordnung auf ca. 32,9 Jahre.^[3] Das stabile Isotop ¹⁸⁷Os kann unter stellaren Bedingung über Elektroneneinfang zu ¹⁸⁷Re zerfallen (Halbwertszeit 1242 Jahre).^[4] Weiterhin ist für den nur-s-Kern ¹⁸⁷Os der Neutroneneinfangswirkungsquerschnitt entscheidend für die korrekte Berechnung der ¹⁸⁷Os-Häufigkeit. In ¹⁸⁷Os existiert aber ein Isomerzustand bei 9,7 keV, welcher unter stellaren Bedingung thermisch bevölkert wird, so dass sich ein temperaturabhängiger Anteil der ¹⁸⁷Os-Isotope in diesem angeregten Zustand befindet. Der Neutroneneinfangswirkungsquerschnitt im angeregten Zustand ist aber bisher nur aus Rechnungen, nicht aus Messungen bekannt.^[5] Weiterhin wird ¹⁸⁷Re noch zu einem geringen Anteil im s-Prozess erzeugt, da im Verzweigungspunkt des s-Prozesses bei ¹⁸⁵W eine schwache Verzweigung stattfindet und ca. 6 % des ¹⁸⁷Re-Isotops doch über den s-Prozess erzeugt werden.^[6]

1. ↑ David Selby, Robert A. Creaser, Holly J. Stein, Richard J. Markey, Judith L. Hannah: Assessment of the ¹⁸⁷Re decay constant by cross calibration of Re-Os molybdenite and U-Pb zircon chronometers in magmatic ore systems. In: Geochimica et Cosmochimica Acta. Band 71, Nr. 8, 2007, S. 1999–2013, doi:10.1016/j.gca.2007.01.008. 
2. ↑ Michael I. Smoliar, Richard J. Walker, John. W. Morgan: Re-Os ages of group IIA, IIIA, IVA, and IVB iron meteorites. In: Science. Band 271, Nr. 5252, 1996, S. 1099–1102, doi:10.1126/science.271.5252.1099 (englisch). 
3. ↑ ^{a b} F. Bosch, T. Faestermann, J. Friese, F. Heine, P. Kienle, E. Wefers, K. Zeitelhack, K. Beckert, B. Franzke, O. Klepper, C. Kozhuharov, G. Menzel, R. Moshammer, F. Nolden, H. Reich, B. Schlitt, M. Steck, T. Stöhlker, T. Winkler, K. Takahashi: Observation of bound-state β– decay of fully ionized ¹⁸⁷Re:¹⁸⁷Re-¹⁸⁷Os Cosmochronometry. In: Physical Review Letters. Band 77, Nr. 26, 1996, S. 5190–5193, doi:10.1103/PhysRevLett.77.5190 (englisch). 
4. ↑ K. Takahashi, K. Yokoi: Beta-decay rates of highly ionized heavy atoms in stellar interiors. In: Atomic Data and Nuclear Data Tables. Band 36, Nr. 3, Mai 1987, ISSN 0092-640X, S. 375–409, doi:10.1016/0092-640x(87)90010-6. 
5. ↑ S. E. Woosley, W. A. Fowler: A nuclear correction factor for Re/Os cosmochronology. In: The Astrophysical Journal. Band 233, Oktober 1979, ISSN 0004-637X, S. 411, doi:10.1086/157402. 
6. ↑ F. Käppeler: Nuclei in the Cosmos. Hrsg.: H. Oberhummer. Springer Verlag, Berlin 1991, S. 179.