Argon unter der Lupe

Es erstaunt mich immer wieder, wie dumm ich sein kann!

Ich habe gerade drei Jahre damit verbracht, alle möglichen Präzisionsmessungen an Argon-Gas durchzuführen, aber es brauchte eine zufällige Bemerkung von Andrew Marmary in einem kurzen Film auf dem RI-Kanal, um mich auf eine einfache, erstaunliche Tatsache aufmerksam zu machen: Argon-Atome – mit 18 Protonen in jedem Kern – sind im Durchschnitt schwerer als Kalium-Atome, die ein Proton mehr in jedem Kern haben. Eine einfache Tatsache, hinter der sich eine bemerkenswerte Geschichte verbirgt!

Die relative Masse der Atome der einzelnen Elemente ist am Ende dieses Artikels tabellarisch und oben auf der Seite als Grafik dargestellt. Die Ordnungszahl ist die Anzahl der Protonen im Kern eines jeden Atoms und die relative Atommasse ist – ganz grob – die kombinierte Anzahl der Neutronen und Protonen im Kern. So hat zum Beispiel ein Wasserstoffatom mit 1 Proton und keinen Neutronen eine relative Atommasse von 1. Heliumatome haben 2 Protonen und 2 Neutronen eine relative Atommasse von 4. Die Grafik zeigt, dass Atome mit mehr Protonen im Kern dazu neigen, für jedes zusätzliche Proton etwa ein zusätzliches Neutron zu haben – aber nicht genau eins. Beachten Sie, dass die relativen Atommassen nicht genau auf die rot gestrichelte Linie fallen, sondern ein wenig „wackeln“. Und einige Atome wie Chlor – mit 17 Protonen – haben eine relative Atommasse von 35,45, die nicht annähernd eine ganze Zahl ist. Enthält ein Chlorkern einen Bruchteil eines Neutrons? Nein. Aber um das zu verstehen, müssen wir etwas über Isotope lernen

Auch reine Elemente enthalten Atome mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Das natürlich vorkommende Chlor zum Beispiel hat zwei Isotope, beide mit 17 Protonen, aber eines hat 18 Neutronen und eine relative Masse von etwa 35 und das andere hat 20 Neutronen und eine relative Masse von etwa 37. Die erste Art überwiegt die zweite um etwa 3 zu 1, so dass die durchschnittliche Masse der Chloratome etwa 35,5 beträgt.

Was ist mit Argon? Hat das auch Isotope? Ja. Argon in der Atmosphäre hat drei Isotope, alle mit 18 Protonen – aber ein Typ (genannt 36Ar) hat 18 Neutronen und eine relative Masse von ungefähr 36 ; ein zweiter Typ (genannt 38Ar) hat 20 Neutronen und eine relative Masse von ungefähr 38, und der letzte und häufigste Typ (genannt 40Ar) hat 22 Neutronen und eine relative Masse von ungefähr 40. Messungen meiner Kollegen vom Scottish Universities Environmental Research Centre haben gezeigt, dass in normalem Argon etwa 300 Mal mehr 40Ar als 36Ar vorkommt – und dass 38Ar noch seltener ist. Das ist der Grund, warum die durchschnittliche Atommasse nur etwas weniger als 40 beträgt.

Das Erstaunliche ist, dass, wenn wir diese Messung vor 4 Milliarden Jahren gemacht hätten, als sich die Erde bildete, oder wenn wir die Messung an Argongas von einem anderen Planeten gemacht hätten – wir würden eine andere Antwort erhalten – eine Antwort, die viel näher an 36 liegt. Das liegt daran, dass das „natürliche“ Argon tatsächlich das 36Ar ist. Wenn wir die experimentellen Daten vom Kopf der Seite erneut auftragen, aber mit einer Masse von 36 für Argon anstelle des experimentellen Wertes, dann sehen wir, dass der Punkt genau auf die Linie passt.

Woher kommt also das ganze 40Ar? Die Antwort ist, dass es aus dem radioaktiven Zerfall von Kalium-40 (40K) stammt. Das meiste Kalium auf der Erde hat 20 Neutronen (39K), was dem Kalium eine relative Masse nahe der 39 gibt. Es gibt jedoch eine kleine Menge Kalium mit 22 Neutronen (41K), was dem Kalium eine relative Masse etwas größer als 39 gibt. Zusätzlich gibt es eine noch geringere Menge Kalium mit 21 Neutronen (40K), und dieses Isotop ist radioaktiv und zerfällt in 40Ar mit einer Halbwertszeit von etwa 1,2 Milliarden Jahren. Im Laufe der 4 Milliarden Jahre Erdgeschichte sind also etwa 90 % unserer ursprünglichen Gabe von 40K in 40Ar zerfallen

Im Sonnensystem ist Argon tatsächlich häufiger als Kalium, aber auf der Erde ist Kalium viel häufiger als Argon. Und obwohl (40K) nur einen winzigen Bruchteil der Kaliumatome auf der Erde ausmacht – es gibt so viel Kalium (es macht etwa 1/500 des Gewichts der Erde aus), dass 40Ar aus dem radioaktiven Zerfall von 40K jetzt das dominierende Isotop von Argon auf der Erde ist.

Das Diagramm am Kopf der Seite scheint also stumm zu sein, aber wenn man die Daten lesen und die Muster erkennen kann, stellt man fest, dass das Diagramm Bände spricht. Sie spricht von der Geschichte der Erde und von der Geburt der Elemente im Todeskampf der Sterne (Nukleosynthese). Wahnsinn! Und wie hätte ich das nicht bemerken können?

Die folgenden Daten habe ich aus Wikipedia übernommen, also weiß ich, dass sie richtig sein müssen 🙂