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Lexikon der Geowissenschaften: Elektronenspin-Resonanz-Datierung

Elektronenspin-Resonanz-Datierung, ESR-Datierung, eine physikalische Datierungsmethode, die darauf beruht, daß die Menge magnetischer Anomalien im Probenmaterial proportional zur Lagerungszeit im Sediment ist. Die Elektronenspin-Resonanz-Datierung findet für sekundäre Kalkbildungen (Höhlensinter, Travertin), Molluskenschalen, Korallen, Zähne, Feuerstein und Quarz Verwendung. Durch den Zerfall instabiler Isotope wie U, Th und K ist das Probenmaterial nach seiner Bildung bzw. seiner Einbettung ionisierender Strahlung ausgesetzt, deren Intensität durch die natürliche Dosisleistung Do angegeben wird. Die Wechselwirkung mit Strahlung führt in kristallinem Probenmaterial zur Ausbildung von magnetischen Anomalien, indem Elektronen angeregt werden und in energetisch höherem Niveau mit Ladungsdefekten zu sog. paramagnetischen Zentren rekombinieren. Diese entstehen primär durch Fremdatome im Kristall, Gitterschäden oder sekundär durch die Einwirkung von α-Strahlung.

Bei der ESR-Messung wird durch Anlegen eines Magnetfeldes sowie Einstrahlung von Mikrowellenenergie eine Resonanz mit dem Elektronenspin hervorgerufen. Die Resonanzfrequenz legt den dimensionslosen g-Wert fest, der den Energieinhalt der paramagnetischen Zentren charakterisiert. Der Grad der Mikrowellenabsorption spiegelt die Menge der Zentren mit zugehörigem g-Wert wider ( Abb. ) und ist damit ein Maß für die Menge an Strahlenschäden einer Probe (akkumulierte Dosis AD). Durch Verändern der Feldstärke wird ein ESR-Spektrum aufgezeichnet, von dem bestimmte Peaks zur Auswertung herangezogen werden.

Die ESR-Methode basiert darauf, daß die paramagnetischen Zentren durch Aufheizung, Sonnenbelichtung oder auch Druck ausheilen können und sich damit neben der Kristallneubildung auch Ereignisse wie Sedimentation, letzte Hitze- oder Druckeinwirkung datieren lassen. Bei der Altersbestimmung sind besonders der Homogenitätsgrad der Probe, die Gewährleistung eines geschlossenen Systems und der Wassergehalt zu berücksichtigen. Für die Bestimmung der Dosisleistung Do sind die externe Dosisleistung aus dem umgebenden Sediment und die interne Dosisleistung zu bestimmen und mögliche radioaktive Ungleichgewichte zu berücksichtigen. Der Datierbereich liegt zwischen einigen hundert und ca. 2 Mio. Jahren. [RBH]


Elektronenspin-Resonanz-Datierung: Prinzip der Elektronenspin-Resonanz. Durch ein angelegtes Magnetfeld mit der Richtung H führt ein ungepaartes Elektron eines paramagnetischen Zentrums eine Präzissionsbewegung um H aus (links). Das Einstrahlen von Mikrowellenenergie bewirkt eine Resonanz mit dem Spin des Elektrons und führt zu einem Spinflip mit der Frequenz ω (rechts). Die Frequenz ω legt den g-Wert des Meßsignals fest. Elektronenspin-Resonanz-Datierung:

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