Was ist ein Isotop?

Isotope sind Atome desselben Elements mit einer gleichen Anzahl von Protonen, aber einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen. Ihre Ordnungszahlen sind gleich, aber ihre Massenzahlen sind unterschiedlich. Massenzahlen werden immer mit A bezeichnet, während sich Z auf die Ordnungszahlen der Elemente bezieht. Die Ordnungszahl symbolisiert die Anzahl der Protonen im Atomkern und dient zur Identifizierung der Position des Elements im Periodensystem. Die Massenzahl eines Atoms ist die Anzahl der Neutronen in seinem Kern. Die Isotope von Elementen haben aufgrund der Variation ihrer Atommassen unterschiedliche physikalische Eigenschaften. Aufgrund dieses Unterschieds haben solche Isotope unterschiedliche Dichten sowie Schmelz- und Siedepunkte. Isotope eines Elements haben jedoch immer sehr ähnliche chemische Eigenschaften. Die Ähnlichkeit tritt auf, weil nur die Elektronen in chemischen Reaktionen verwendet werden, nicht die Neutronen oder Protonen.

Geschichte der Isotope

Der Radiochemiker Fredrick Soddy vermutete 1913 erstmals die Existenz von Isotopen, nachdem Studien durchgeführt worden waren, die den Zerfall radioaktiver Ketten betrafen. Während seiner Experimente erkannte Soddy, dass zwischen Blei und Uran 40 verschiedene Spezies existieren, das Periodensystem jedoch nur 11 Atome aufnehmen kann. Nachdem chemische Tests zur Trennung einiger dieser Elemente fehlgeschlagen waren, schlug er vor, dass mehr als ein Atomtyp dieselbe Position im Periodensystem einnehmen könnte, und nannte sie Isotope.

Beispiele für Isotope

Chlor enthält zwei Hauptisotope: Chlor-35 und Chlor-37. Um zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen, haben Wissenschaftler entdeckt, dass in einer Chlorsubstanz Anteile von jedem dieser Isotope insgesamt vorhanden sind, und deshalb werden Verhältnisse verwendet, um den Unterschied in der Menge auszudrücken. Diese Verhältnisse sind hilfreich bei der Berechnung von relativen Prozentsätzen und relativen Atommassen. Andere Beispiele für Isotope umfassen Kohlenstoff (Kohlenstoff-12- und Kohlenstoff-14-Isotope), Sauerstoff (Sauerstoff-16 und Sauerstoff-18) und Phosphor (Phosphor-31 ist das primäre Isotop, obwohl auch spezifische Mengen an Phosphor-32 existieren). Die Isotope dieser Verbindungen gelten als stabil und die meisten von ihnen haben nur zwei Isotope. Es gibt jedoch einige Elemente mit nur einem Isotop, darunter Fluor, Beryllium, Arsen, Yttrium, Gold, Aluminium, Jod, Mangan, Natrium und Niob.

Reinigung von Isotopen

Es gibt drei Hauptbereiche, in denen Isotope angewendet werden. Das erste ist die Trennung von Isotopen. Die Trennung erleichtert die Maximierung der Eigenschaften der Atome nach Bedarf. Bei der Trennung von leichteren Elementen wie Deuterium und Sauerstoff findet die Gasdiffusionsmethode Anwendung. Die Trennung schwerer Elemente wie Uran und Plutonium erfolgt massenspektrometrisch.

Anwendung von Isotopen

Die erste Anwendung von Isotopen ist die Verwendung durch Archäologen bei der Kohlenstoffdatierung. Es gibt zwei Arten von Isotopen: stabile und radioaktive Isotope. Stabile Isotope enthalten die gleiche Kombination von Protonen und Neutronen und unterliegen daher keinem Zerfall. Andererseits weisen die radioaktiven Isotope instabile Kerne auf und unterliegen somit einem Zerfall. Der radioaktive Zerfall kann bis zu 5.730 Jahre dauern, z. B. beim Kohlenstoffelement. Archäologen verwenden diese Isotopenkomponente, um das Alter eines in archäologischen Ausgrabungen gefundenen Objekts zu bestimmen.