Isotope Physik

Aus dem Periodensystem können Informationen wie die Ordnungszahl und das Atomgewicht für alle bekannten Elemente entnommen werden. Das Atomgewicht wird dabei jedoch als Durchschnitt angegeben. Tatsächlich existieren neben den Elementen, wie sie im Periodensystem stehen, noch weitere Varianten. Sie werden Isotope genannt.

Isotope Physik einfach erklärt

Wenn Du Dir das Periodensystem anschaust, kannst Du erkennen, wie viele Protonen ein Atom eines Elements besitzt. Das gibt nämlich die Ordnungszahl – oder auch Kernladungszahl – wieder. Die Ordnungszahl gibt ebenfalls wieder, um welches Element es sich handelt.

Die Neutronen kannst Du Dir erschließen, wenn Du die Ordnungszahl mit der Massenzahl, oder dem Atomgewicht vergleichst. Ein Atom besteht nämlich nur aus den drei Bausteinen Protonen, Elektronen und Neutronen. Die Masse der Elektronen kann vernachlässigt werden, weil diese sehr klein ist.

In Abbildung 1 siehst Du am Beispiel von Chlor, wie Du Elemente in einem vereinfachten Periodensystem finden würdest. Du kannst das Elementsymbol, die Massenzahl A sowie die Ordnungszahl Z von Chlor erkennen.

Das Atomgewicht kann in zwei Arten und Weisen angegeben werden. Zum einen in Kilogramm \(kg\) und zum anderen als Vielfaches der atomaren Masseneinheit \(u\), ausgesprochen wie das englische „unit“. Eine atomare Masseneinheit entspricht hierbei: \[1\,u=1,66054\cdot10^{-27}\,kg\]. In Abbildung 1 kannst Du für die atomare Masse von Chlor \(35,45\,u\) erkennen.

Im Periodensystem wird die Massenzahl als Vielfaches der atomaren Masseneinheit angegeben. Dennoch liegt sie dort nicht als ganze Zahl vor. Einer der Gründe dafür ist, dass Isotope eines Elements die Massenzahl beeinflussen.

Isotope Definition Physik

Die meisten Elemente haben natürlich vorkommende Isotope.

Die Abweichung der Massenzahl im Periodensystem wird nun darin begründet, dass alle Isotope eines Elements eine unterschiedliche Masse besitzen. Diese unterschiedlichen Massen bilden dann zusammen die Massenzahl als Durchschnitt ab. Weiterhin ist sie von der natürlichen Häufigkeit der Isotope abhängig. Reinelemente können ebenfalls Isotope besitzen. Diese werden unter anderem im Labor künstlich hergestellt.

Unterschiedliche Isotope können stabil oder unstabil sein. Unstabile Isotope besitzen variierende Halbwertszeiten. Die Halbwertszeiten unterschiedlicher Isotope reichen von weniger als einem Tag bis zu über 10.000 Tage. Halbwertszeiten geben bei unstabilen Atomen die Zeit an, bei der sie nach Ablauf in ein anderes Atom zerfallen. Wenn ein Isotop zerfällt, wird radioaktive Strahlung freigesetzt. Diese Isotope sind also radioaktiv.

Durch eine Isotopentrennung können Isotope in Proben angereichert werden.

Isotopentrennung Physik

Auch durch eine Isotopentrennung ist es sehr unwahrscheinlich, aus einem Elementgemisch einzelne Isotope zu isolieren. Es können lediglich aus einer Probe Fraktionen hergestellt werden, in denen das angestrebte Isotop angereichert wurde. In diesem Teil der Probe kommt dieses Isotop dann also öfter vor als in der ursprünglichen Mischung. Die zweite Fraktion wurde folglich vom angestrebten Isotop abgereichert.

Die Basis für eine Isotopentrennung sind von der Masse abhängige Eigenschaften der Isotope. Aus chemischer Sicht unterscheiden sich die Eigenschaften der Isotope eines Elements, mit wenigen Ausnahmen, untereinander nämlich nicht. Deswegen werden physikalische Methoden für eine Isotopentrennung verwendet.

Mögliche Unterschiede in den Eigenschaften treten etwa in der Dichte oder Schmelz- und Siedetemperatur der Isotope auf. Auch eine andere Verdampfungswärme und Unterschiede in der Diffusion oder Reaktionsgeschwindigkeit können auftreten.

Isotope können somit etwa in der Gasphase über eine Diffusion angereichert werden. Hierbei werden in der Regel Membranverfahren verwenden. Im Grunde sind diese Membranen porös, wodurch Isotope mit weiteren Hilfsmitteln auf eine Seite der Membran konzentriert werden.

Eine weitere Methode erfolgt photochemisch über die Anregung von Isotopen durch Laser. Hierbei werden Laser mit einer gewählten Frequenz eingesetzt. Die Isotope können somit in ein Ion überführt werden. Ionen sind geladene Atome. Diese Atome haben also ein Elektron abgegeben oder aufgenommen. Dadurch, dass Ionen geladen sind, können sie über eine angelegtes elektrisches Feld extrahiert werden.

Die meisten Elemente besitzen also natürlich vorkommende Isotope. Diese können auch unterschiedliche Verwendungen haben.

Isotope Physik Beispiele

Deuterium findet viele Anwendungen im Alltag der Menschen. Es wird zum Beispiel als Moderator unter dem Namen „schweres Wasser“ in Kernkraftwerken benutzt. Im Grunde ist das eine Wasserverbindung mit zwei Deuterium-Isotopen. Das schwere Wasser verlangsamt die Kernspaltung, wodurch weniger Kernbrennstoff benutzt werden muss.

Weitere Anwendungen sind etwa als Lösungsmittel oder Tracer. Ein Tracer wird in der Chemie und Biologie zur Markierung von Substanzen benutzt, damit diese besser verfolgt werden können.

Wie sieht es mit dem Tritium aus?

Isotope des Wasserstoff Tritium

Das Tritium, oder superschwerer Wasserstoff, besitzt noch mal ein weiteres Neutron mehr als das Deuterium. Folglich beträgt die atomare Masse \(3,01605\,u\). Die natürliche Häufigkeit dieser Form des Wasserstoffs beträgt nur \(10^{-15}\,\%\) und ist radioaktiv. Die Halbwertszeit von Tritium beträgt 12,3 Jahre.

Tritium wird ebenfalls als Tracer verwendet. Eine andere Anwendung findet es in Leuchtmitteln. Hierbei werden sogenannte „kalte Leuchten“ mit einer Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten hergestellt. Diese Leuchten benötigen keine weitere Energiezufuhr. Einsatzgebiete finden sie etwa in Notfallbeleuchtungen für Schilder.

Auch wenn Tritium radioaktiv ist, besteht aufgrund der gering verwendeten Mengen kaum Gefahr für den Menschen.

Isotope Beispiel Kohlenstoff

Der Kohlenstoff besitzt ebenfalls drei natürlich vorkommende Isotope und ist somit ein Mischelement. Insgesamt hat der Kohlenstoff jedoch zwölf Isotope. Die neun künstlich hergestellten Isotope sind alle radioaktiv und zerfallen innerhalb eines Tages zu einem neuen Atom.

Kohlenstoff-12 Isotope

Das häufigste Kohlenstoffisotop ist der Kohlenstoff-12. \[\ce{^{12}_{6}C}\]

Er kommt zu 98,93 % vor und ist stabil. Das Besondere an diesem Kohlenstoffisotop ist, dass es die Basis für die Definition der atomaren Masseneinheit ist. Kohlenstoff-12 wiegt nämlich genau \(12\,u\).

Die zwei weiteren natürlich vorkommenden Kohlenstoffisotope sind wieder deutlich seltener im Kohlenstoffgemisch zu finden.

Kohlenstoff-13 Isotope

Das Kohlenstoffisotop Kohlenstoff-13 tritt mit einer Häufigkeit von \(1,11\,\%\) auf und ist ebenfalls stabil. \[\ce{^{13}_{6}C}\] Es wird in chemischen Reaktionen mit Kohlenstoff zur Markierung verwendet.

Kohlenstoff-14 Isotope

Das Kohlenstoff-14 Isotop triff mit einer vernachlässigbaren Häufigkeit auf. \[\ce{^{14}_{6}C}\] Es ist instabil, also radioaktiv und wird dadurch auch Radiokohlenstoff genannt. Der Radiokohlenstoff hat eine Halbwertszeit von etwa 5730 Jahren.

Dir wurden somit einige Isotope von zwei Elementen vorgestellt. Darunter sind zwei Isotope radioaktiv, obwohl das Element selbst nicht als radioaktiv angesehen wird. Weiterhin besitzt der Kohlenstoff zwölf weitere radioaktive unnatürliche Isotope. Wie kann das sein?

Radioaktive Isotope Physik

Isotope mit zu vielen Neutronen sind instabil. Der Atomkern dieser Isotope wird nach Ablauf der Halbwertszeit in ein neues Isotop zerfallen. Dabei wird Strahlung freigesetzt. Den Menschen sind heute etwa 2700 unterschiedliche Isotope bekannt. Davon sind über 2400 Isotope radioaktiv.

Die vorgestellten Isotope Tritium und Radiokohlenstoff sind radioaktiv, obwohl das Element selbst nicht als radioaktiv angesehen wird. Der Grund dafür ist, dass die Mengen der Isotope vernachlässigbar gering im natürlichen Vorkommen des Elements zu finden sind.

Dennoch existieren weitere Elemente im Periodensystem, die radioaktiv sind. Alle Elemente mit einer Ordnungszahl \(Z\geq83\) sind von Natur aus radioaktiv. Solch eine Radioaktivität nennst Du natürliche Radioaktivität.

Radioaktive Isotope zerfallen in neue Atome, weil der Atomkern instabil ist. Hierbei besitzen sie zu viele Neutronen.

Die Herstellung von Isotopen erfolgt durch den Beschuss dieser mit freien Neutronen. So entstehen etwa Uran \(\ce{^{235}_{92}U}\) Isotope.

Wie Du sehen kannst, verbirgt sich hinter den Elementen des Periodensystems eine weite Welt vieler unterschiedlicher Atomsorten. Für den Menschen sind sie essenziell, um die Natur von chemischen Prozessen verfolgen zu können. Auch für die Energiegewinnung in Kernkraftwerken sind sie erforderlich. Durch die Möglichkeit neue Isotope über Neutronenbeschuss herzustellen wurden sogar neue Elemente künstlich hergestellt, wie das Technetium \(\ce{^{43}Te}\) Isotop im Jahre 1937.