Isotope sind Nuklide mit gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl. Isotope stehen am gleichen Ort (griech. ισο [iso] – gleich, τόπος [topos] – Ort) im Periodensystem, 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 geht auf Frederick Soddy zurück, der 1921 unter anderem dafür der 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.
Stabile Isotope
Mit 10 stabilen Isotopen hat Zinn die meisten natürlich vorkommenden Isotope. Von 20 sogenannte Reinelementen existiert nur ein stabiles Isotop. Dies sind: Beryllium, Fluor, Natrium, Aluminium, Phosphor, Scandium, Mangan, Kobalt, Arsen, Yttrium, Niob, Rhodium, Iod, Cäsium, Praseodym, Terbium, Holmium, Thulium, Gold, Bismut.
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 als 21. 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). Streng genommen existieren folglich nur 19 Reinelemente mit stabilem Isotop.
Bekannteste Isotope
Ein bekanntes Isotop ist das radioaktive 14C, das zur Altersbestimmung von organischen Materialien (Archäologie) benutzt wird (Radiokarbonmethode). Kohlenstoff (C) liegt hauptsächlich als stabiles Isotop 12C vor.
Zur Untersuchung von Paläo-Temperaturen wird vor allem das (stabile) 18O herangezogen.
Das Isotop 235U wird aus dem Natururan angereichert und als Brennstoff in Kernkraftwerken oder stärker angereichert in Atombomben verwendet.
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 Nullpunktenergien 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
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.
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.
Benannte Isotope
Es gibt nur wenige Isotope, für die eigene Namen oder eigene Kürzel gebräuchlich sind:
Weitere Definition
Bezeichnung für Kerne mit gleicher Protonen-, aber verschiedener Neutronenzahl. Isotope haben also dieselbe Ordnungzahl, aber verschiedene Massenzahlen. Da das chemische Element durch die Ordnungszahl bestimmt wird, verhalten sich Isotope chemisch gleich, stellen also ein einziges chemisches Element dar. Die unterschiedlichen Massen können jedoch die Energiezustände der Hüllenelektronen (Atombau) und deren Eigenschaften beeinflussen. Dies führt zu Isotopieeffekten. Eine Isotopentrennung ist daher nur mit physikalischen Methoden möglich. Die meisten Elemente kommen als natürliches Isotopengemisch vor.Vorlage:Ref
Quellen