Isotop

(Weitergeleitet von Isotope)

Als Isotope bezeichnet man Nuklide in ihrem Verhältnis zueinander, wenn ihre Atomkerne gleich viele Protonen (gleiche Ordnungszahl), aber verschieden viele Neutronen enthalten. Die Isotope eines und desselben Elements haben also verschiedene Massenzahlen, verhalten sich aber chemisch weitgehend identisch. Die Bezeichnung Isotop ist älter als der allgemeinere Begriff Nuklid und wird daher nach wie vor oft gleichbedeutend mit Nuklid benutzt.

Der Name (von griechisch ἴσος, ísos „gleich“ und τόπος, tópos „Ort, Stelle“) kommt daher, dass die Isotope eines und desselben Elements im Periodensystem am gleichen Ort stehen. Getrennt voneinander dargestellt werden sie in einer Nuklidkarte.

Der Begriff Isotop wurde von Frederick Soddy geprägt, der für seine Arbeiten und Erkenntnisse im Bereich der Isotope und Radionuklide 1921 den Nobelpreis für Chemie erhielt.

In der Regel besitzt jedes natürlich vorkommende Element ein oder wenige stabile Isotope, während seine übrigen Isotope radioaktiv (das heißt instabil) sind und früher oder später zerfallen. Es gibt jedoch auch Elemente, bei denen alle Isotope instabil sind.

Schreibweise für Isotope

Um ein bestimmtes Isotop eines Elementes zu kennzeichnen, wird die Massenzahl dem Elementsymbol links oben hinzugefügt. Die Kernladungszahl ist schon durch den Namen (das Elementsymbol) gegeben, kann aber zusätzlich links unten an das Elementsymbol geschrieben werden, sofern sie – z. B. bei Kernreaktionen – von Interesse ist, wie in

$ {}^{6}_{3}\mathrm{Li}+{}^{2}_{1}\mathrm{H}\rightarrow{}^{4}_{2}\mathrm{He}+{}^{4}_{2}\mathrm{He} $

Im Fließtext wird oft einfach die Massenzahl an das Elementsymbol oder an den vollen Elementnamen mit Bindestrich angefügt, also z. B. U-235, Uran-235, C-14, Kohlenstoff-14, wie es auch der Sprechweise entspricht.

Tritt in der Bezeichnung noch ein m auf (z. B. 16m1N), so ist damit ein Kernisomer gemeint. Wenn hinter dem m eine Zahl steht, ist dies eine Nummerierung, falls mehrere Isomere existieren.

Chemische Reaktionen von Isotopen

In ihren chemischen Reaktionen unterscheiden sich Isotope des gleichen Elements nur dann, wenn die Massenunterschiede relativ groß sind.

Bei schweren Elementen trifft das nicht zu. Beispielsweise beträgt das Verhältnis der Atommassen von Uran-238 und Uran-235 1:1,012766; in ihrem chemischen Verhalten ist kein merklicher Unterschied, zum Trennen müssen physikalische Methoden eingesetzt werden (siehe Urananreicherung). Bei den Lithiumisotopen Li-7 und Li-6 beträgt das Verhältnis 1:1,1666; hier sind bereits physikalisch-chemische Trennmethoden möglich (siehe Lithium). Bei den drei Wasserstoffisotopen sind die Massenunterschiede sehr groß (1H:2H:3H wie 1:2:3), weshalb sie chemisch leicht unterschiedlich reagieren und eigene Namen sowie eigene Elementsymbole erhielten:

  • Das weitaus häufigste Wasserstoffisotop 1H wird auch als Protium oder leichter Wasserstoff bezeichnet.
  • Das Isotop 2H wird auch als Deuterium oder schwerer Wasserstoff bezeichnet. Elementsymbol: D.
  • Das Isotop 3H wird auch als Tritium oder überschwerer Wasserstoff bezeichnet. Elementsymbol: T.

Ein Beispiel für das unterschiedliche chemische Verhalten von H und D tritt bei der Elektrolyse von Wasser auf, bei der bevorzugt Wasser mit dem normalen 1H reagiert und in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, während sich D (2H Deuterium, Schwerer Wasserstoff) enthaltende Wassermoleküle im Restwasser anreichern (gegenüber dem natürlichen Mengenverhältnis von etwa 1:7000). Grund hierfür sind die verschiedenen Nullpunktenergien dieser beiden Isotope.

Stabile Isotope

Stabile Isotope sind die Isotope eines Elements, die nicht radioaktiv sind, also nicht zerfallen. Die meisten auf der Erde natürlich vorkommenden Isotope gelten als stabil oder haben extrem lange Halbwertszeiten. Beispiele für solche extrem langlebigen Isotope sind 232Th und 209Bi, dessen Radioaktivität erst 2003 nachgewiesen werden konnte.[1] Nuklide mit derartig langen Halbwertszeiten und stabile Nuklide werden primordiale Nuklide genannt.

In der Nuklidkarte sind die stabilen Isotope allgemein in einem mittleren Bereich zwischen den Beta-plus- und den Beta-minus-Strahlern zu finden.

Mit 10 stabilen Isotopen hat Zinn die meisten natürlich vorkommenden Isotope.

Von den 22 Reinelementen oder anisotopen Elementen existiert nur jeweils ein stabiles oder sehr langlebiges Isotop. Dies sind: Beryllium, Fluor, Natrium, Aluminium, Phosphor, Scandium, Mangan, Cobalt, Arsen, Yttrium, Niob, Rhodium, Iod, Cäsium, Praseodym, Terbium, Holmium, Thulium, Gold, Wismut, Thorium und Plutonium.

Die natürlich vorkommenden Isotope der drei letztgenannten Elemente, 209Bi, 232Th und 244Pu, haben Halbwertszeiten von 1,9 · 1019 Jahren, 1,4 · 1010 Jahren bzw. 8 · 107 Jahren.

Bekannte Isotope

Wasserstoff

Schwerer Wasserstoff (2H oder Deuterium) dient im Schwerwasserreaktor als Moderator. Überschwerer Wasserstoff (3H oder Tritium) ist radioaktiv. Er entsteht z. B. in der Atmosphäre durch die kosmische Strahlung und auch in Kernreaktoren. Tritium wurde zwischen etwa 1960 und 1998 in Leuchtfarben für Uhr-Zifferblätter usw. verwendet. In größeren Mengen soll es in Zukunft als ein Teil des Brennstoffs für Kernfusionsreaktoren erzeugt und gebraucht werden.

Kohlenstoff

Ein bekanntes Isotop ist das radioaktive 14C, das zur Altersbestimmung von organischen Materialien (Archäologie) benutzt wird (Radiokohlenstoffmethode). Kohlenstoff (C) liegt hauptsächlich in den stabilen Isotopen 12C und 13C vor.

Sauerstoff

Zur Untersuchung von Paläo-Temperaturen wird vor allem das Verhältnis der beiden stabilen Sauerstoffisotope 18O und 16O herangezogen.

Uran

Das Isotop 235U dient als Brennstoff in Kernkraftwerken. Für die meisten Reaktortypen muss das Natururan dazu an 235U angereichert werden. Fast reines 235U wird in Kernwaffen verwendet. In den meisten Kernwaffen wird heute jedoch Plutonium verwendet, da es ohne zusätzlichen Anreicherungsprozess aus abgebranntem Kernreaktorbrennstoff gewonnen werden kann.

Plutonium

239Pu hat die gleiche Verwendung wie 235U. 238Pu wird wegen seiner radioaktiven Zerfallswärme in der Raumfahrt zur Stromerzeugung in Radioisotopengeneratoren verwendet, wenn Solarzellen wegen zu großer Sonnenentfernung nicht mehr einsetzbar sind.

Isotope in der Analytik

(Siehe auch Isotopenuntersuchung)

In Messungen des optischen Spektrums mit genügender Auflösung können Isotope eines Elements an ihren Spektrallinien unterschieden werden (Isotopieverschiebung).

Die Isotopenzusammensetzung in einer Probe wird in der Regel mit einem Massenspektrometer bestimmt, im Fall von Spurenisotopen mittels Beschleuniger-Massenspektrometrie.

Radioaktive Isotope können oft anhand ihrer Zerfallsprodukte oder der abgegebenen ionisierenden Strahlung identifiziert werden.

Isotope spielen ferner eine Rolle in der NMR-Spektroskopie. So wird beispielsweise in der NMR-Spektroskopie organischer Verbindungen die Konzentration von 13C gemessen, da dieses Isotop im Gegensatz zum viel häufigeren 12C einen von null verschiedenen Kernspin und damit ein magnetisches Moment hat.

Isotope werden auch in der Aufklärung von Reaktionsmechanismen oder Metabolismen mit Hilfe der sogenannten Isotopenmarkierung verwendet.

Die Isotopenzusammensetzung des Wassers ist an verschiedenen Orten der Welt verschieden und charakteristisch. Diese Unterschiede erlauben es etwa bei Lebensmitteln wie Wein oder Käse, die Deklaration des Ursprungsortes zu überprüfen.

Die Untersuchung von bestimmten Isotopen-Mustern (insbesondere 13C-Isotopen-Mustern) in organischen Molekülen wird als Isotopomeren-Analyse bezeichnet. Sie erlaubt unter anderem die Bestimmung intrazellulärer Stoffflüsse in lebenden Zellen. Darüber hinaus ist die Analyse von 13C/12C-, 15N/14N- sowie 34S/32S-Verhältnissen in der Ökologie heute weit verbreitet. Anhand der Fraktionierung lassen sich Stoffflüsse in Nahrungsnetzen nachverfolgen oder die Trophieebenen einzelner Arten bestimmen.

In der Hydrologie ist es möglich durch das Verhältnis von Isotopen Rückschlüsse auf hydrologische Prozesse zu ziehen. Stabile Isotope dienen als natürliche Tracer. Dabei dient das Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOV) meistens als Referenz. Die Fraktionierung, also das Verhältnis von schweren zu leichten Isotopen ist durch unterschiedliche Effekte beeinflusst. Der Wasserkreislauf begleitet die meisten Stoffflüsse ober- und unterhalb der Erde.

Die Geochemie befasst sich mit deren Isotopen in Mineralen, Gesteinen, Boden, Wasser und Erdatmosphäre.

Literatur

  1. Pierre de Marcillac et al., Experimental detection of alpha-particles from the radioactive decay of natural bismuth, Nature 422, 876–878 (24. April 2003), Ergebnistabelle

Siehe auch

Weblinks

Newsmeldungen wie "Isotop" auf cosmos-indirekt.de

09.06.2020
Kernphysik
Isotopenmessungen an Luftfiltern belegen zivilen Hintergrund eines nicht-deklarierten nuklearen Unfalls
Studie der Leibniz Universität Hannover und der Westfälischen Wilhelms-Universität untersucht radioaktive Wolke.
13.05.2019

Größe von Bor-Isotopen bestimmt - Forschung zwischen Kern- und Atomphysik
In einem Experiment an der TU Darmstadt ist es erstmals gelungen, winzige Größenunterschiede zwischen stabilen Bor-Isotopen zu bestimmen.
12.02.2019

Rätselhafte Größe extrem leichter Calciumisotope
Ein internationales Forschungsprojekt unter Beteiligung von Kernphysikern und Kernphysikerinnen der TU Darmstadt hat erstmals in hochpräzisen Messungen die Radien extrem leichter Calciumisotope bestimmt und davon ausgehend die Theorie zur Beschreibung von Isotopenradien deutlich verbessern können.

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News aus den Naturwissenschaften

22.01.2021
Festkörperphysik - Quantenoptik - Thermodynamik
Physiker filmen Phasenübergang mit extrem hoher Auflösung
Laserstrahlen können genutzt werden, um die Eigenschaften von Materialien gezielt zu verändern.
21.01.2021
Sonnensysteme - Planeten
Die Entstehung des Sonnensystems in zwei Schritten
W
21.01.2021
Exoplaneten
Die Entstehung erdähnlicher Planeten unter der Lupe
Innerhalb einer internationalen Zusammenarbeit haben Wissenschaftler ein neues Instrument namens MATISSE eingesetzt, das nun Hinweise auf einen Wirbel am inneren Rand einer planetenbildenden Scheibe um einen jungen Stern entdeckt hat.
20.01.2021
Kometen_und_Asteroiden
Älteste Karbonate im Sonnensystem
Die Altersdatierung des Flensburg-Meteoriten erfolgte mithilfe der Heidelberger Ionensonde.
20.01.2021
Quantenphysik - Teilchenphysik
Einzelnes Ion durch ein Bose-Einstein-Kondensat gelotst.
Transportprozesse in Materie geben immer noch viele Rätsel auf.
20.01.2021
Sterne - Astrophysik - Klassische Mechanik
Der Tanz massereicher Sternenpaare
Die meisten massereichen Sterne treten in engen Paaren auf, in denen beide Sterne das gemeinsame Massenzentrum umkreisen.
19.01.2021
Sonnensysteme - Sterne - Biophysik
Sonnenaktivität über ein Jahrtausend rekonstruiert
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der ETH Zürich hat aus Messungen von radioaktivem Kohlenstoff in Baumringen die Sonnenaktivität bis ins Jahr 969 rekonstruiert.
19.01.2021
Quantenoptik - Teilchenphysik
Forschungsteam stoppt zeitlichen Abstand von Elektronen innerhalb eines Atoms
Seit mehr als einem Jahrzehnt liefern Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFELs) schon intensive, ultrakurze Lichtpulse im harten Röntgenbereich.
15.01.2021
Sterne - Strömungsmechanik
Welche Rolle Turbulenzen bei der Geburt von Sternen spielen
A
14.01.2021
Thermodynamik
Wie Aerosole entstehen
Forschende der ETH Zürich haben mit einem Experiment untersucht, wie die ersten Schritte bei der Bildung von Aerosolen ablaufen.