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Isotop

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Isotope sind Nuklide mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Massenzahl. Isotope stehen am gleichen Ort (griech. ισο [iso] – 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 wurde von Frederick Soddy geprägt, der für seine Arbeiten und Erkenntnisse im Bereich der Isotope und radioaktiven Elemente 1921 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.

Inhaltsverzeichnis

Stabile Isotope

Mit 10 stabilen Isotopen hat Zinn die meisten natürlich vorkommenden Isotope. Von 22 sogenannten Reinelementen existiert nur jeweils ein stabiles Isotop. Solche Elemente werden auch als anisotop bezeichnet. Dies sind: Beryllium, Fluor, Natrium, Aluminium, Phosphor, Scandium, Mangan, Cobalt, Arsen, Yttrium, Niob, Rhodium, Iod, Cäsium, Praseodym, Terbium, Holmium, Thulium, Gold.

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, wie auch Bismut, als 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).

Bekannteste Isotope

Ein bekanntes Isotop ist das radioaktive 14C, das zur Altersbestimmung von organischen Materialien (Archäologie) benutzt wird (Radiokarbonmethode). Kohlenstoff (C) liegt hauptsächlich in den stabilen Isotopen 12C und 13C vor.

Zur Untersuchung von Paläo-Temperaturen wird vor allem das Verhältnis zwei der stabilen Sauerstoffisotope, 18O / 16O 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. In den meisten Atombomben findet dieses heute Verwendung, da es einfacher aus abgebrannten Brennstäben gewonnen werden kann, als Uran bei dessen vergleichsweise aufwendigen Isotopenanreicherung.

238 Pu wird wegen seiner radioaktiven 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.

Die Untersuchung von bestimmten Isotopen-Mustern (insbesondere 13C Isotopen-Mustern) in organischen Molekülen wird als Isotopomeren-Analyse bezeichnet. Sie erlaubt u.a. die Bestimmung intrazellulärer Stoffflüsse in lebenden Zellen. Darüberhinaus 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.

Benannte Isotope

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

  • Das 1H-Isotop, welches das weitaus Häufigste ist, wird gewöhnlich als Protium bezeichnet. Es ist der "normale" Wasserstoff.
  • Das 2H-Isotop wird gewöhnlich als Deuterium (D) bezeichnet.
  • Das 3H-Isotop wird gewöhnlich als Tritium (T) bezeichnet.

Siehe auch

Weblinks

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