Isotop

Als Isotope bezeichnet man Sorten von Atomen, wenn ihre Atomkerne gleich viele Protonen (gleiche Ordnungszahl), aber verschieden viele Neutronen enthalten. Sie haben dann verschiedene Massenzahlen, stellen aber das gleiche Element dar; es gibt also die Sauerstoffisotope, die Eisenisotope usw. Die Isotope eines Elements verhalten sich chemisch fast identisch. Die Bezeichnung Isotop ist älter als der allgemeinere Begriff Nuklid (Atomsorte) und wird daher nach wie vor oft auch im Sinne von Nuklid benutzt, d. h. auch dann, wenn es sich nicht nur um eine einzige Ordnungszahl handelt.

Von jedem bekannten Element, mit Ausnahme des erst 2006 entdeckten Ununoctium, sind mehrere Isotope nachgewiesen. Insgesamt gibt es rund 3000 Isotope. Etwa 250 davon sind stabil. Alle übrigen sind instabil, das heißt, sie wandeln sich durch radioaktiven Zerfall nach mehr oder weniger langer Zeit um.

Von den 91 natürlich vorkommenden Elementen werden 69 als Gemische mehrerer Isotope (Mischelemente) vorgefunden. Die übrigen 22 heißen Reinelemente. Das chemische Atomgewicht von Mischelementen ist der Durchschnittswert der verschiedenen Atommassen der beteiligten Isotope.

Der Name (von griechisch ἴσος, ísos „gleich“ und τόπος, tópos „Ort, Stelle“) kommt daher, dass die Isotope eines 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.

Bezeichnung und Formelschreibweise

Die Bezeichnungsweise ist in Nuklid ausführlich beschrieben. Im Text wird ein Isotop mit dem Elementnamen oder -symbol mit der angehängten Massenzahl bezeichnet, beispielsweise Sauerstoff-16 oder O-16, Eisen-56 oder Fe-56. Ausnahmen bilden die Wasserstoffisotope (siehe folgenden Abschnitt).

Als Formelzeichen 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

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

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 ihrem chemischen Verhalten unterscheiden sich Isotope eines Elements nicht in der Art der möglichen Reaktionen, sondern vor allem in ihrer Reaktionsgeschwindigkeit, weil diese schwach von der Masse abhängt.

Bei schweren Elementen ist der relative Massenunterschied allerdings sehr gering. Beispielsweise beträgt das Verhältnis der Atommassen von Uran-238 und Uran-235 1:1,013; in ihrem chemischen Verhalten ist kein merklicher Unterschied, zum Trennen müssen physikalische Methoden eingesetzt werden (Urananreicherung). Bei den Lithiumisotopen Li-7 und Li-6 beträgt das Verhältnis 1:1,17; 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 sogar eigene Namen und 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 Wassermoleküle, die D (²H Deuterium, Schwerer Wasserstoff) enthalten, im Restwasser anreichern (gegenüber dem natürlichen Mengenverhältnis von etwa 1:7000).

Mischelemente und Reinelemente

Als stabil werden die Isotope eines Elements bezeichnet, die nicht radioaktiv sind, bei denen also ein Zerfall bisher nicht beobachtet werden konnte. Die Obergrenze beobachteter Halbwertszeiten liegt derzeit bei ~ $10^{24}$ Jahren (Isotop ¹²⁸Te). Die meisten auf der Erde natürlich vorkommenden Isotope gelten als stabil oder haben extrem lange Halbwertszeiten. Beispiele für solche zwar nicht stabilen, aber extrem langlebigen Isotope sind ²³²Th und ²⁰⁹Bi, dessen Radioaktivität erst 2003 nachgewiesen werden konnte. Nuklide mit derartig langen Halbwertszeiten und stabile Nuklide werden primordiale Nuklide genannt.

In der Nuklidkarte sind die stabilen Nuklide 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.

Elemente mit nur einem stabilen oder sehr langlebigen Isotop werden als Reinelement oder anisotop bezeichnet. Dies sind die 22 Elemente: Beryllium, Fluor, Natrium, Aluminium, Phosphor, Scandium, Mangan, Cobalt, Arsen, Yttrium, Niob, Rhodium, Iod, Cäsium, Praseodym, Terbium, Holmium, Thulium, Gold, Wismut, Thorium und Plutonium. Die langlebigen natürlich vorkommenden Isotope der drei letztgenannten Elemente sind ²⁰⁹Bi, ²³²Th und ²⁴⁴Pu mit 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 sollen Deuterium und Tritium in Zukunft als Brennstoff für Kernfusionsreaktoren 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 manchen Kernwaffen verwendet.

Plutonium

²³⁹Pu hat die gleichen Verwendungen 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.

Basierend auf einem Artikel in:

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