Wenn Du Dir im Periodensystem ein beliebiges Element aussuchst, kannst Du oben rechts am Elementkärtchen die Atommasse ablesen, wie schwer das Atom ist. Diese Masse ist aber nur diejenige Masse, die am häufigsten in der Natur vorkommt. Ein Element kann nämlich unterschiedlich schwere Varianten haben, die man Isotope nennt.
Isotope – Definition und Erklärung
Die Isotope eines Elements haben alle dieselbe Protonenanzahl, aber eine unterschiedliche Neutronenanzahl im Atomkern.
Wenn im Atomkern nur ein Proton vorliegt, handelt es sich um Wasserstoff mit dem Elementsymbol H. Bei sechs Protonen liegt Kohlenstoff mit dem Elementsymbol C vor. Im Periodensystem sind die Elementkärtchen mit dem Elementsymbol oben links nummeriert. Diese Zahl gibt die Protonenanzahl wieder.
Die Anzahl der Neutronen hat einen nicht vernachlässigbaren Anteil an der Atommasse, weil Neutronen ungefähr so schwer sind wie Protonen. Protonen und Neutronen machen zusammen ungefähr 99,9 % der Atommasse aus. Der Rest kommt von den deutlich leichteren Elektronen.
Nun hat ein Element zwar immer die gleiche Protonenanzahl, aber es kann eine unterschiedliche Neutronenanzahl im Kern haben. Da Neutronen aber einen Großteil der Atommasse ausmachen, sind Isotope deshalb unterschiedlich schwer.
Die Atommasse wird in der atomaren Masseneinheit "u" angegeben, wobei 1 u ungefähr 1,66x 10-27 kg entsprechen. Proton und Neutron haben jeweils eine Masse von ca. 1 u.
Wasserstoff hat drei Isotope, die natürlich vorkommen. Sie werden Protium, Deuterium und Tritium genannt. Protium hat kein Neutron, Deuterium ein Neutron und Tritium zwei Neutronen.
Beachte hierbei, dass Protium, Deuterium und Tritium alle nur ein Proton im Atomkern haben, weil sie sonst keine Isotope des Wasserstoffs wären. Tritiumatome sind damit etwa dreimal so schwer wie Protiumatome. Denn Tritiumatome haben eine Masse von 3 u, die sich aus einem Proton und zwei Neutronen zusammensetzt, während Protiumatome mit ausschließlich einem Proton im Kern eine Masse von nur 1 u haben.
Die Schreibweise von Isotopen
In Reaktionsgleichungen findet man immer nur die Elementsymbole vor, die zwar verraten, wie viele Protonen ein Atom dieses Elements hat. Jedoch legen sie nicht fest, wie viele Neutronen das betrachtete Atom hat. Tatsächlich ist die Neutronenanzahl beziehungsweise die Gesamtmasse des Atoms für das Reaktionsverhalten von untergeordneter Bedeutung. Lediglich die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch höhere Atommassen verringert. Jedoch ist eine spezielle Schreibweise (Notation) für Isotope zum Beispiel für die Kernphysik von großer Bedeutung.
Die Kernphysik untersucht insbesondere sogenannte Zerfallsprozesse, bei denen ein Element in zwei neue Elemente zerfällt. Ohne das Verständnis von Zerfallsprozessen würde die Menschheit auf Diagnose und Therapie von krankhaften Gewebeveränderungen verzichten müssen. Mehr dazu findest Du im Artikel zur Kernphysik beim Fach Physik.
Für die Notation benötigt man das Elementsymbol, die Protonenanzahl und die Neutronenanzahl. Zur Unterscheidung von Isotopen fügt man zum Elementsymbol X zwei Zahlen unten links und oben links hinzu. Die Zahl Z unten links entspricht der Protonenanzahl des Atoms.
Für jede andere Protonenanzahl muss ein anderes Elementsymbol verwendet werden, weil es sich dann um ein anderes Element handelt. Oben links hingegen steht die Summe von Neutronen und Protonen im Kern. Wenn Du also die Zahl unten links von der Zahl oben links subtrahierst, erhältst Du die Neutronenanzahl im Kern.
Bei der Protonenanzahl spricht man auch von der Ordnungszahl beziehungsweise von der Kernladungszahl. Bei der Zahl oben links spricht man auch von der Massenzahl, weil mit der Summe von Neutronen und Protonen auch die Atommasse in der atomaren Masseneinheit u angegeben ist.
Wie würden die im vorherigen Beispiel genannten Isotope Protium, Deuterium und Tritium in dieser Schreibweise aussehen? Da es sich dabei um die drei Isotope des Wasserstoffs handelt, haben alle als Kernladungszahl die Zahl 1. Da Protium gar kein Neutron im Kern hat, ergibt sich für seine Massenzahl die Zahl 1 + 0 = 1. Deuterium hat 1 Neutron, womit die Massenzahl hier 1 + 1 = 2 beträgt. Tritium schließlich hat 2 Neutronen und hier beträgt die Massenzahl 1 + 2 = 3.
Messung von Atommassen
Wie aber findet man die Masse eines Atoms heraus? Dafür gibt es ein bestimmtes Verfahren, die Massenspektrometrie. Bei der Massenspektrometrie nutzt man die Tatsache, dass die Atomkerne von Isotopen zwar alle dieselbe Ladung haben, aber dafür unterschiedliche Massen.
Die Atomkerne der Isotope eines Elements haben dieselbe positive Ladung, weil sie alle gleich viele Protonen haben.
Zwar würde also auf alle Isotope in einem elektrischen oder einem magnetischen Feld dieselbe Kraft wirken, aber jedes Isotop würde unterschiedlich stark abgelenkt werden. Denn je schwerer ein Atomkern ist, desto träger ist er auch und desto schwächer wird er abgelenkt.
Wie stark ein Atomkern abgelenkt wird, wird im Massenspektrometer erfasst. Daraus lässt sich dann berechnen, welche Masse dieses Atom besitzen muss, um eine Ablenkung des registrierten Betrags zu erfahren. Einen besseren Überblick zu diesem Thema erhältst Du im Artikel zum Thema Massenspektrometrie.
Instabile Isotope
Nicht alle Isotope sind stabil. Das heißt, dass einige Isotope nach einer bestimmten Zeit in ein anderes Element zerfallen und dabei für Lebewesen schädliche Strahlung emittieren. In der sogenannten Nuklidkarte ist dargestellt, ob ein Isotop stabil ist und wie es zerfällt, falls es instabil ist. Dabei gibt es verschiedene Strahlungsarten, die im Artikel zum Thema Radioaktivität näher erläutert werden.
Abbildung 3: Die Nuklidkarte gibt an, ob und wie Isotope zerfallen
Auf der x-Achse dieser Nuklidkarte ist die Neutronenanzahl und auf der y-Achse die Protonenanzahl dargestellt. Wenn alle Isotope eines Elements betrachtet werden sollen, muss man eine feste Protonenanzahl nehmen. Dann betrachtet man mithilfe der Farben und der Legende bei welcher Neutronenanzahl ein Isotop instabil oder stabil ist.
Du kannst beispielsweise für die Isotope von Zinn eine waagerechte Linie durch die Zahl 50 auf der y-Achse ziehen und würdest damit alle Isotope des Zinns betrachten können, weil Zinn 50 Protonen im Atomkern hat. Die Neutronenzahl für ein Zinnatom variiert, je nachdem, bei welchem Punkt Du Dich auf der waagerechten Linie befindest.
Dabei fällt auf, dass die stabilen Isotope aller Elemente eine Art Mittellinie bilden, die in schwarz dargestellt ist. Instabile Isotope, die sich rechts von dieser Mittellinie befinden, bei gleicher Protonenanzahl, haben im Vergleich zu ihrem stabilen Element auf der schwarzen Mittellinie mehr Neutronen.
Instabile Isotope, die sich links von dieser Mittellinie befinden, wieder bei gleicher Protonenanzahl, haben im Vergleich zu ihrem stabilen Element auf der schwarzen Mittellinie weniger Neutronen.
Von daher liegt die Vermutung nahe, dass die Voraussetzung für Stabilität eines Isotops ein bestimmtes Verhältnis zwischen Neutronen- und Protonenanzahl vorliegen muss. Anders gesagt dürfen weder zu viele, noch zu wenig Neutronen vorliegen.
Isotope Beispiel: Die Radiokarbonmethode
Ein wichtiges Isotop, das im menschlichen Körper vorkommt, ist das sogenannte Kohlenstoff-14-Isotop. Das Kohlenstoff-14-Isotop ist instabil und zerfällt von daher spontan in ein anderes Element, nämlich Stickstoff (N). Aufgrund seines Zerfalls kann man das Alter von verstorbenen Organismen bestimmen.
Die Methode zur Altersbestimmung beruht darauf, dass im Körper von Lebewesen ein bestimmtes Verhältnis zwischen dem Kohlenstoff-14-Isotop und dem stabilen Kohlenstoff-12-Isotop vorherrscht. Denn das Kohlenstoff-12-Isotop liegt 1012-mal so häufig vor wie das Kohlenstoff-14-Isotop. Es werden beide Isotope über die Nahrung aufgenommen und dadurch ist gewährleistet, dass das Verhältnis im lebenden Organismus gleich bleibt.
Bei einem verstorbenen Organismus hingegen kommen keine weiteren Kohlenstoffatome mehr hinzu. Mit der Zeit sinkt die Anzahl der Kohlenstoff-14-Isotope im Körper des verstorbenen Organismus, weil diese zerfallen, während die Anzahl der stabilen Kohlenstoff-12-Isotope gleich bleibt.
Je weniger Kohlenstoff-14-Isotope im Verhältnis zu den Kohlenstoff-12-Isotopen vorliegen, desto älter ist der verstorbene Organismus.
Mithilfe der sogenannten Halbwertszeit des Kohlenstoff-14-Isotops kann aus dem Verhältnis der beiden Kohlenstoffisotope zueinander sogar genau berechnet werden, wie lange ein Organismus verstorben ist. Doch wie sieht diese Formel genau aus? Und wie kommen die Kohlenstoffisotope überhaupt erst in unsere Nahrung? Mehr dazu erfährst Du im Artikel zum Thema Radiokarbonmethode.
Die Halbwertszeit ist eine Zahl, die angibt, nach welcher Zeit die Hälfte aller instabilen Isotope einer Ausgangsmenge zerfallen sind. Im Fall des Kohlenstoff-14-Isotops beträgt sie 5730 Jahre. Jedes Isotop hat eine spezifische Halbwertszeit.
Isotope – Das Wichtigste
- Die Isotope eines Elements haben alle dieselbe Protonenanzahl, aber eine unterschiedliche Neutronenanzahl
- Isotope sind unterschiedlich schwer
- Für die Notation von Isotopen schreibst Du die Protonenanzahl und die Summe aus Protonen und Neutronen (=Massenzahl) jeweils unten links beziehungsweise oben links vom Elementsymbol hin
- Es gibt stabile und instabile Isotope. Instabile Isotope zerfallen in andere Elemente und emittieren dabei für den Menschen schädliche Strahlung. Ein Isotop ist stabil, wenn es ein bestimmtes Verhältnis von Protonen- zu Neutronenanzahl hat. Es dürfen weder zu viele Protonen noch zu viele Neutronen vorliegen.
Nachweise
- Binnewies, Finzel, Jäckel, Schmidt, Willner, Rayner-Canham (2016). Allgemeine und Anorganische Chemie. Springer Spektrum.
- Böhme, Uwe (2013). Anorganische Chemie für Dummies. Wiley.
- Abbildung 3: Nuklidkarte in Segrè-Darstellung (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nuklidkarte_Segre.svg) von Napy1kenobi unter der Lizenz CC BY-SA 3.0
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