Ein Isotop ist eine Variante eines Elements, das ein anderes Atomgewicht als andere Varianten hat. Abgesehen von der häufigsten Form von Wasserstoff – die nur ein Proton hat – besteht jeder Atomkern in normaler Materie sowohl aus Protonen als auch aus Neutronen. Isotope eines gegebenen Elements haben die gleiche Anzahl von Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen. Sie haben im Wesentlichen die gleichen chemischen Eigenschaften, unterscheiden sich jedoch geringfügig in ihren physikalischen Eigenschaften wie Schmelzpunkt und Siedepunkt. Einige Isotope sind instabil und neigen dazu, in andere Elemente zu zerfallen, wobei sie subatomare Teilchen oder Strahlung abgeben; diese sind radioaktiv und werden als Radioisotope bezeichnet.
Wenn Wissenschaftler sich auf ein bestimmtes Isotop eines Elements beziehen, erscheint oben links neben dem Symbol für das Element die Massenzahl oder die Anzahl der Protonen plus die Anzahl der Neutronen. Zum Beispiel wird die Form von Wasserstoff, die ein Proton und ein Neutron hat, als 2H geschrieben. In ähnlicher Weise sind 235U und 238U zwei verschiedene Isotope von Uran. Diese werden auch häufig als Uran-235 und Uran-238 geschrieben.
Der Atomkern
Neutronen sind elektrisch neutral, aber Protonen haben eine positive elektrische Ladung. Da sich gleiche Ladungen abstoßen, braucht ein Kern, der mehr als ein Proton enthält, etwas, um zu verhindern, dass diese Teilchen auseinander fliegen. Dieses Etwas wird die starke Kernkraft genannt, manchmal auch einfach als die starke Kraft bezeichnet. Sie ist viel stärker als die elektromagnetische Kraft, die für die Abstoßung zwischen Protonen verantwortlich ist, hat aber im Gegensatz zu dieser Kraft eine sehr kurze Reichweite. Die starke Kraft bindet Protonen und Neutronen im Kern zusammen, aber die elektromagnetische Kraft will die Protonen auseinanderdrücken.
Stabile und instabile Kerne
In den leichteren Elementen kann die starke Kraft den Kern zusammenhalten, solange genügend Neutronen vorhanden sind, um die elektromagnetische Kraft zu verdünnen. Typischerweise sind in diesen Elementen die Anzahlen von Protonen und Neutronen ungefähr gleich. In schwereren Elementen muss ein Überschuss an Neutronen vorhanden sein, um Stabilität zu gewährleisten. Ab einem bestimmten Punkt gibt es jedoch keine Konfiguration, die einen stabilen Kern liefert. Keines der Elemente, die schwerer als Blei sind, hat stabile Isotope.
Auch zu viele Neutronen können ein Isotop instabil machen. Zum Beispiel hat die häufigste Form von Wasserstoff ein Proton und keine Neutronen, aber es gibt zwei andere Formen mit einem und zwei Neutronen, die Deuterium bzw. Tritium genannt werden. Tritium ist instabil, weil es zu viele Neutronen hat.
Wenn ein instabiler oder radioaktiver Kern zerfällt, verwandelt er sich in einen Kern eines anderen Elements. Es gibt zwei Mechanismen, durch die dies geschehen kann. Alphazerfall tritt auf, wenn die starke Kraft nicht alle Protonen in einem Kern zusammenhalten kann. Statt nur ein Proton auszuwerfen, wird jedoch ein Alphateilchen aus zwei Protonen und zwei Neutronen ausgestoßen. Protonen und Neutronen sind fest miteinander verbunden und das Alphateilchen ist eine stabile Konfiguration.
Betazerfall tritt auf, wenn ein Kern zu viele Neutronen hat. Eines der Neutronen wird zu einem Proton, das im Kern verbleibt, und zu einem Elektron, das ausgestoßen wird. In Tritium beispielsweise wird eines seiner beiden Neutronen früher oder später in ein Proton und ein Elektron umgewandelt. Dies ergibt einen Kern mit zwei Protonen und einem Neutron, einer Form von Helium, bekannt als 3He oder Helium-3. Dieses Isotop ist trotz des Überschusses an Protonen stabil, weil der Kern klein genug ist, damit die starke Kraft ihn zusammenhält.
Halbwertszeiten
Es besteht eine grundlegende Unsicherheit darüber, wie lange ein einzelner instabiler Kern zum Zerfall benötigt; für ein gegebenes Isotop ist die Zerfallsrate jedoch vorhersehbar. Es ist möglich, einen sehr genauen Wert für die Zeit anzugeben, die benötigt wird, bis die Hälfte einer Probe eines bestimmten Isotops in ein anderes Element zerfällt. Dieser Wert wird als Halbwertszeit bezeichnet und kann von einem winzigen Bruchteil einer Sekunde bis zu Milliarden von Jahren variieren. Die häufigste Form des Elements Wismut hat eine Halbwertszeit, die eine Milliarde Mal so lang ist wie das geschätzte Alter des Universums. Es galt einst als das schwerste stabile Element, wurde aber 2003 als sehr schwach radioaktiv nachgewiesen.
Immobilien
Abgesehen von der Radioaktivität zeigen verschiedene Isotope eines Elements unterschiedliche physikalische Eigenschaften. Schwerere Formen mit mehr Neutronen haben typischerweise höhere Schmelz- und Siedepunkte, da mehr Energie benötigt wird, damit sich ihre Atome und Moleküle schnell genug bewegen, um eine Zustandsänderung herbeizuführen. Zum Beispiel gefriert „schweres Wasser“, eine Form von Wasser, in der normaler Wasserstoff durch das schwerere Deuterium ersetzt wird, bei 38.9 ° F (3.82 ° C) und siedet bei 214.5 ° F (101.4 ° C), im Gegensatz zu 32 ° C F (0 °C) bzw. 212 °F (100 °C) für normales Wasser. Aus dem gleichen Grund können chemische Reaktionen bei schwereren Isotopen etwas langsamer ablaufen.
Verwendung
Das wahrscheinlich bekannteste Isotop ist 235U wegen seiner Verwendung in Kernenergie und Waffen. Seine Instabilität ist so groß, dass es eine nukleare Kettenreaktion durchlaufen kann, bei der riesige Mengen an Energie freigesetzt werden. „Angereichertes“ Uran ist Uran mit einer höheren Konzentration dieses Isotops, während „abgereichertes“ Uran eine viel niedrigere Konzentration aufweist.
Die radiometrische Datierung verwendet die Anteile verschiedener Isotope, um das Alter von Proben wie biologischem Material oder Gestein abzuschätzen. Die Radiokarbon-Datierung verwendet zum Beispiel das radioaktive Isotop 14C oder Kohlenstoff-14, um Materialien zu datieren, die Kohlenstoff organischen Ursprungs enthalten. Das Alter und die geologische Geschichte der Erde sind weitgehend durch den Vergleich der Anteile verschiedener Isotope in Gesteinsproben bekannt.
In Biologie und Medizin können kleine Mengen schwach radioaktiver Isotope als atomare Marker verwendet werden, um die Bewegung verschiedener Substanzen, wie beispielsweise Medikamente, durch den Körper zu verfolgen. Stärker radioaktive Isotope können als Strahlungsquelle verwendet werden, um Tumore und krebsartige Wucherungen zu zerstören. Helium-3, von dem angenommen wird, dass es auf dem Mond in großen Mengen vorkommt, ist einer der vielversprechendsten langfristigen Brennstoffe für Fusionsreaktoren. Um es effektiv zu nutzen, müssen Sie jedoch zuerst andere Formen der Fusion beherrschen.