Isotope
Isotope sind Kernformen desselben Elements: Die Protonenzahl bleibt gleich, die Neutronenzahl unterscheidet sich. Dadurch ändern sich die Masse und mitunter die Kernstabilität, während die Elektronenchemie nahezu gleich bleibt.
Schreibweise und Identität
A und Z lesen
Eine Kernspezies wird geschrieben als AZX. X ist das Elementsymbol, Z die Protonenzahl und A die Massenzahl. Bei 3717Cl enthält der Kern 17 Protonen und 37 − 17 = 20 Neutronen. Die 17 kennzeichnet bereits Chlor; die 37 kennzeichnet dieses Isotop.
Da das Symbol Z festlegt, wird die untere Zahl in der üblichen Schreibweise oft weggelassen: Chlor-37 oder ³⁷Cl genügt.
Nuklid und Isotop
A Nuklid ist eine bestimmte Kernspezies. 12C und 13C sind zwei Nuklide. Sie als Isotope zu bezeichnen, betont ihre Beziehung: Sie gehören zum selben Element, weil sie die gleiche Protonenzahl besitzen.
Zwei Kerne können dieselbe Massenzahl besitzen und dennoch zu verschiedenen Elementen gehören. Dann sind sie keine Isotope voneinander.
Chemie der Isotope
Neutrale Isotope eines Elements besitzen die gleiche Elektronenzahl und im Wesentlichen die gleiche Elektronenstruktur. Deshalb reagieren 12CO₂ und 13CO₂ in den grundlegenden Reaktionen gleich, und deshalb belegen Isotope nur einen Platz im Periodensystem.
Nahezu gleich bedeutet nicht exakt gleich. Eine veränderte Kernmasse verändert Schwingungsfrequenzen und kann Reaktionsgeschwindigkeiten oder Gleichgewichte geringfügig verschieben. Diese Isotopeneffekte sind bei Wasserstoff besonders deutlich, weil der Ersatz von 1H durch Deuterium die Kernmasse nahezu verdoppelt.
Massenzahl und gemessene Masse
Die Massenzahl A ist die ganzzahlige Summe aus Protonen und Neutronen. Die tatsächliche Isotopenmasse ist eine gemessene Größe in vereinheitlichten atomaren Masseneinheiten u und ist meist keine ganze Zahl. 13C hat die Massenzahl 13, seine gemessene Isotopenmasse liegt jedoch etwas über 13 u.
Die Abweichung beruht auf den tatsächlichen Massen von Protonen, Neutronen und Elektronen sowie auf der Kernbindungsenergie des zusammengesetzten Atoms. Kernbindung verändert die Masse gemäß E = mc².
Stabilität und Häufigkeit
Der Kern wird durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten, während sich Protonen zugleich elektrisch abstoßen. Neutronen verstärken die Kernbindung, ohne zusätzliche Coulomb-Abstoßung zu erzeugen. Mit zunehmender Kernmasse verschiebt sich daher das günstige Verhältnis von Neutronen zu Protonen.
Dieses Verhältnis erklärt jedoch nicht alles. Auch Kernschalenstruktur, Paarung und Gesamtbindung spielen eine Rolle. Kerne außerhalb eines günstigen Stabilitätsbereichs können ihre Energie durch radioaktive Umwandlungen wie Beta- oder Alpha-Zerfall verringern.
Die Isotopenhäufigkeit ist der Anteil der Atome, die zu einem bestimmten Isotop gehören. Lehrbuchtabellen geben oft einen praktischen Prozentwert an, doch reale natürliche Materialien können je nach Herkunft und Geschichte leicht unterschiedliche Isotopenverhältnisse besitzen.
Verdunstung, Kondensation, Diffusion, Mineralbildung und biologische Prozesse können Isotope fraktionieren. Daher werden die Standardatomgewichte mehrerer Elemente als Intervalle angegeben und nicht als ein exakter Wert, der für jede normale terrestrische Probe gilt.
Atomgewicht und Messung
Das Atomgewicht eines Elements ergibt sich aus den Isotopenmassen und ihren Anteilen. Für ein einfaches System mit zwei Isotopen gilt:
mittlere Atommasse = m₁x₁ + m₂x₂, mit x₁ + x₂ = 1.
Das ist ein nach den Anteilen gewichteter Mittelwert. Es bedeutet nicht, dass ein einzelnes Chloratom mit 35,45 u ein typisches reales Atom wäre. Jedes einzelne Atom gehört zu einem bestimmten Isotop.
Gewichteter Mittelwert für Chlor
Betrachten wir eine Beispielprobe mit 75,78 % 35Cl mit einer Isotopenmasse von 34,9689 u und 24,22 % 37Cl mit einer Masse von 36,9659 u:
(0,7578 × 34,9689) + (0,2422 × 36,9659) ≈ 35,45 u.
Das Ergebnis liegt zwischen den Isotopenmassen und näher bei 35Cl, weil dieses Isotop die Probe dominiert. Wird das Material an 37Cl angereichert, steigt die mittlere Masse, obwohl jedes Atom weiterhin Chlor ist.
Massenspektrometrie
Die Massenspektrometrie trennt Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis m/z. Isotope desselben Elements besitzen nahezu identische chemische Eigenschaften, aber unterschiedliche Massen. Gut aufgelöste Isotopenpeaks können daher die Zusammensetzung zeigen.
Auch Molekülmassenspektren enthalten Isotopenmuster. Moleküle mit Chlor, Brom oder mehreren Kohlenstoffatomen können charakteristische Peakgruppen erzeugen, weil verschiedene Isotopenkombinationen geringfügig unterschiedliche Massen besitzen.
Isotopenverhältnisse
Leichtere und schwerere Isotope verhalten sich nicht völlig identisch. Verdunstung, Kondensation, Diffusion, biochemische Reaktionen und Mineralbildung können Isotopenverhältnisse daher geringfügig verschieben. Dies nennt man Isotopenfraktionierung.
Die Unterschiede können klein sein, lassen sich mit modernen Messverfahren aber auflösen. Isotopenverhältnisse können deshalb Informationen über Prozesse bewahren: über die Geschichte des Wasserkreislaufs, biologische Kohlenstoffwege, Bedingungen der Mineralbildung oder die Herkunft eines Materials.
Kleine Unterschiede in Isotopenverhältnissen werden häufig relativ zu einer Referenz angegeben:
δ = [(RProbe/RReferenz) − 1] × 1000 ‰
R kann beispielsweise das Verhältnis 13C/12C sein. Ein positives δ bedeutet, dass die Probe ein höheres Verhältnis schwerer zu leichter Isotope als die Referenz besitzt; ein negatives δ bedeutet ein niedrigeres. Die Referenz muss immer angegeben werden, weil δ relativ ist.
Anwendungen
Kohlenstoff
12C definiert die moderne Referenz der Atommasse. 13C ist stabil und wird häufig als Tracer und in der Strukturanalyse eingesetzt. 14C ist radioaktiv und kann als Uhr für Kohlenstoff dienen, der mit Atmosphäre oder Biosphäre ausgetauscht wurde.
Das sind keine unterschiedlichen Chemien des Kohlenstoffs, sondern Kernvarianten desselben Elements, deren Masse und Stabilität verschiedene experimentelle Möglichkeiten eröffnen.
Datierung
Bei einem Radionuklid sind einzelne Zerfälle nicht vorhersagbar, eine große Population folgt jedoch N(t) = N₀e−λt, mit T½ = ln 2 / λ. Diese statistische Regelmäßigkeit ermöglicht radiometrische Datierungen.
Ein gemessenes Isotopenverhältnis ist nicht automatisch ein Alter. Anfangsbedingungen, das Verhalten von Mutter- und Tochternuklid, Verunreinigungen und die Frage, ob das System effektiv geschlossen blieb, müssen berücksichtigt werden.
Tracer
Ein Tracer muss lediglich unterscheidbar sein. Wird eine Verbindung mit 13C, 15N oder 18O angereichert, lassen sich ihre Atome durch eine Reaktion, einen Organismus oder ein Umweltreservoir verfolgen, während die Chemie nahezu gleich bleibt.
Natürliche Isotopenverhältnisse können ebenso Kohlenstoffquellen unterscheiden, Grundwasser verfolgen, Aspekte früherer Klimabedingungen rekonstruieren und Beziehungen in Nahrungsnetzen sichtbar machen.
Medizin
Radioaktiver Zerfall kann von außerhalb des Körpers nachgewiesen werden oder Energie im Gewebe deponieren. Ausgewählte Radionuklide sind daher für diagnostische Bildgebung und Therapie nützlich. Ein geeignetes Isotop muss Zerfallsart, Strahlung, Halbwertszeit und Chemie passend kombinieren.
Eine zu lange Halbwertszeit kann unnötig lang anhaltende Aktivität verursachen; bei einer zu kurzen Halbwertszeit kann der Zerfall bereits vor Abschluss von Bildgebung oder Behandlung weit fortgeschritten sein. Kernphysik und chemisches Targeting müssen zusammenpassen.
Ein angereichertes Material enthält einen größeren Anteil eines Isotops als ein Referenz- oder Naturmaterial. Die Anreicherung verändert Z nicht und wandelt daher kein Element in ein anderes um. Sie verändert die statistische Isotopenzusammensetzung einer Atompopulation.
Aufgaben
Kernzusammensetzung
Für 5826Fe gilt Z = 26, also enthält der Kern 26 Protonen. Die Neutronenzahl ist N = A − Z = 58 − 26 = 32. Ein anderes Eisenatom mit 30 Neutronen ist weiterhin Eisen, weil Z unverändert 26 ist; es handelt sich um 56Fe.
Gewichteter Mittelwert
Ein Element besitzt zwei Isotope: 10,0 u mit 20,0 % und 11,0 u mit 80,0 %. Berechne die mittlere Atommasse.
Lösung
(0,200 × 10,0) + (0,800 × 11,0) = 10,8 u.