Isotop

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Isotopes

Isotope sind Nuklide mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Massenzahl. Isotope stehen am gleichen Ort (griech. ισο – gleich, τόπος [topos – Ort) im Periodensystem (haben also dieselbe Ordnungszahl), aber an unterschiedlichem Ort in der Nuklidkarte. Ein Isotop umfasst also Atome eines Elements, die sich nur durch die unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Atomkern unterscheiden.

Der Begriff Isotop geht auf Frederick Soddy zurück, der 1921 unter anderem dafür den Nobelpreis für Chemie erhielt.

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

Stabile Isotope

Mit 10 stabilen Isotopen hat Zinn die meisten natürlich vorkommenden Isotope. Von 20 sogenannten Reinelementen existiert nur jeweils ein stabiles Isotop. Solche Elemente werden auch als anisotop bezeichnet. Dies sind: Beryllium, Fluor, Natrium, Aluminium, Phosphor, Scandium, Mangan, Kobalt, Arsen, Yttrium, Niob, Rhodium, Iod, Cäsium, Praseodym, Terbium, Holmium, Thulium, Gold, Bismut.

Thorium besitzt zwar nur ein natürliches Isotop, dieses ist aber nicht stabil. Die Halbwertszeit ist mit 1,4 · 10¹⁰ Jahren sehr lang. In einigen Lehrbüchern wird es als 21. Reinelement aufgeführt. Neueren Untersuchungen zufolge ist das bisher für stabil gehaltene Isotop des Bismuts ein Alpha-Strahler mit extrem langer Halbwertszeit (1,9 · 10¹⁹ Jahre). Streng genommen existieren folglich nur 19 Reinelemente mit stabilem Isotop.

Bekannteste Isotope

Ein bekanntes Isotop ist das radioaktive ¹⁴C, das zur Altersbestimmung von organischen Materialien (Archäologie) benutzt wird (Radiokarbonmethode). Kohlenstoff (C) liegt hauptsächlich als stabiles Isotop ¹²C vor.

Zur Untersuchung von Paläo-Temperaturen wird vor allem das (stabile) ¹⁸O herangezogen.

Das Isotop ²³⁵U wird aus dem Natururan angereichert und als Brennstoff in Kernkraftwerken oder stärker angereichert in Atombomben verwendet. Die gleiche Verwendung hat ²³⁹ Pu, das heute wegen seiner leichteren Gewinnung aus abgebrannten Brennstäben, als der mühsamen Isotopenanreicherung beim Uran, in den meisten Atombomben verwendet wird.

²³⁸ Pu wird wegen seiner radoakiven Zerfallswärme in der Raumfahrt zur Stromerzeugung verwendet, wenn Solarzellen in großer Sonnenentfernung nicht mehr einsetzbar sind.

Chemische Reaktionen bei Isotopen

In ihren chemischen Reaktionen unterscheiden sich Isotope geringfügig. Ein Beispiel ist die Elektrolyse von Wasser, bei der vorzugsweise Wasser mit dem normalen ¹H reagiert und in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, während sich Wassermoleküle mit ²H (Deuterium, Schwerer Wasserstoff) im Restwasser anreichern. Grund hierfür sind die verschiedenen Nullpunktsenergien der Isotope.

Dieser Unterschied in der Reaktivität ist bei Wasserstoff/Deuterium aufgrund des großen relativen Massenunterschieds besonders ausgeprägt; bei den meisten anderen Elementen sind diese Effekte um ein Vielfaches schwächer.

Isotope in der Analytik

(siehe auch Isotopenuntersuchung)

Auch an ihren Spektrallinien können bei hoher Auflösung verschiedene Isotope eines Elements unterschieden werden (Isotopieverschiebung).

Die Isotopenzusammensetzung in einer Probe wird in der Regel mit einem Massenspektrometer bestimmt.

Radioaktive Isotope können auch anhand ihrer Radioaktivität detektiert werden.

Isotope spielen ferner eine Rolle in der NMR-Spektroskopie. So wird beispielsweise in der NMR-Spektroskopie organischer Verbindungen das ¹³C Isotop spektroskopiert, da es im Gegensatz zum ¹²C einen detektierbaren Kernspin hat.

Isotope werden auch in der Aufklärung von Reaktionsmechanismen oder Metabolismen mit Hilfe der sog. 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.

Benannte Isotope

Es gibt nur wenige Isotope, für die eigene Namen oder eigene Kürzel gebräuchlich sind:

Das ²H-Isotop wird gewöhnlich als Deuterium (D) bezeichnet
Das ³H-Isotop wird gewöhnlich als Tritium (T) bezeichnet

Siehe auch