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Isotope

Isotope sind Nuklide (Sorten von Atomkernen) mit gleicher Ordnungszahl, d. h. mit der gleichen Zahl von Protonen. Sie gehören jeweils zu einem bestimmten chemischen Element.

Beispielsweise hat das chemische Element Sauerstoff die Ordnungszahl 8. In der Natur gibt es drei verschiedene stabile Sauerstoff-Isotope. Stark überwiegend mit ca. 99,76 % Häufigkeit ist ¹⁶O, dazu gibt es ca. 0,038 % ¹⁷O und 0,2 % ¹⁸O. Zudem gibt es das künstliche herstellbare ¹⁵O, welches radioaktiv ist (β^+-Strahler, Halbwertszeit ca. 122 s).

Den Begriff Isotope sollte man nur verwenden, wenn es um mehrere Nuklide gleicher Ordnungszahl geht; sonst sollte man von Nukliden sprechen. (Folgerichtig verwendet man das Wort Isotope hauptsächlich im Plural.) Beispielsweise ist auch die spezifischere Bezeichnung Radioisotop etwas ungenau; in der Regel ist damit einfach ein bestimmtes Radionuklid gemeint, und es geht nicht etwa um mehrere Radionuklide eines chemischen Elements (obwohl es solche durchaus geben kann), sondern höchstens um eines der Isotope eines bestimmten Elements. Ähnlich ist der Begriff Radionuklidbatterie dem der Isotopenbatterie vorzuziehen. Allerdings ist der Begriff Nuklid deutlich jünger als der Begriff Isotop; vor seiner Einführung sprach man immer von Isotopen. Man erkannte dann, dass dies eigentlich nicht sinnvoll ist, wo die durch "iso" angedeutete Gleichheit keine Rolle spielt.

Es gibt außerdem den ähnlichen Begriff Kernisomere; dies sind unterschiedliche Anregungszustände desselben Nuklids, also etwas anderes als Isotope.

Reinelemente und Mischelemente

Es gibt 22 Reinelemente, d. h. chemische Elemente, von denen es in der Natur nur jeweils ein einziges stabiles oder (in drei Fällen) wenigstens sehr langlebiges Nuklid gibt. Selbst für Reinelemente kennt man in der Regel aber mehrere Isotope, die künstlich hergestellt werden können.

Die meisten chemischen Elemente sind Mischelemente, liegen also in der Natur als ein Gemisch mehrerer unterschiedlicher Isotope (meist weniger als 10) vor. Die Häufigkeitsverteilung der Isotope eines Elements hängt oft mehr oder weniger stark von der Herkunft oder Vorgeschichte des Materials ab. Dies wird beispielsweise bei der Altersbestimmung archäologischer Proben mit der Radiocarbonmethode ausgenutzt. Es gibt auch eine Reihe anderer Analysemethoden, die aus der Bestimmung relativer Isotopenhäufigkeiten beruhen.

Unterschiedliche Atommassen

Isotope eines Elements unterscheiden sich in der Neutronenzahl und damit in der Atommasse. Bei den leichtesten Elementen sind die Massenunterschiede relativ groß – im Extremfall von Wasserstoff ist das schwerste Isotop (³H = Tritium) ca. dreimal schwerer als das leichteste (¹H). Dagegen ist der Massenunterschied zwischen ²³⁵U und ²³⁸U (Uran 235 bzw. 238) zwar absolut etwas größer, relativ gesehen aber sehr klein. Daraus ergibt sich, dass das chemische Verhalten unterschiedlicher Isotope praktisch gleich ist, außer bei den allerleichtesten Elementen, wo die Reaktionsgeschwindigkeiten etwas unterschiedlicher sind. (Dies zeigt sich auch bei der Wasser-Elektrolyse, wo Deuterium weniger schnell als normaler Wasserstoff umgesetzt wird.) Auch die Isotopentrennung oder -anreicherung ist gewöhnlich bei den schweren Elementen ziemlich schwierig bzw. aufwendig. Sie erfolgt meistens aufgrund der etwas unterschiedlichen Massen.

Es gibt allerdings auch andere Verfahren der Isotopentrennung, die beispielsweise geringfügige Unterschiede bei den Absorptionsspektren für Licht ausnutzen (Laser-Isotopentrennung). Solche Effekte sind auch bei der Isotopen-Analytik durch Laserspektroskopie wichtig.

Kernphysikalische Unterschiede zwischen Isotopen

Isotope unterscheiden sich meist sehr stark in ihren kernphysikalischen Eigenschaften. Dies beginnt damit, dass manche Nuklide stabil sind, andere dagegen radioaktiv mit oft sehr unterschiedlichen Halbwertszeiten. Auch die Reaktion auf äußere Einflüsse wie z. B. Neutronenbestrahlung kann sehr unterschiedlich sein; beispielsweise kann bei manchen Nukliden durch Bestrahlung mit Neutronen eine Kernspaltung ausgelöst werden, bei vielen anderen dagegen nicht oder nur mit extrem geringer Wahrscheinlichkeit.

Im Falle des technisch wichtigen Urans kommt in der Natur zu ca. 99,3 % das Isotop ²³⁸U vor, welches nicht direkt für die Kernspaltung geeignet ist, allerdings durch Einfang von Neutronen in das spaltbare Plutonium 239 umgewandelt werden kann. In Kernreaktoren hauptsächlich genutzt wird ²³⁵U, welches nur zu ca. 0,7 % im Natururan vorkommt. Auch bei Plutonium gibt es eine Reihe unterschiedlicher Isotope, von denen insbesondere ²³⁹Pu für Atomwaffen geeignet ist, andere dagegen nicht oder weniger.

Auch bei der Kernfusion verhalten sich unterschiedliche Isotope sehr unterschiedlich. Versuche, Kernfusion technisch zu realisieren und nutzen, konzentrieren sich im wesentlichen auf die Fusion zwischen Deuterium (²H) und Tritium (³H). In der Sonne spielt auch die Fusion zwischen Deuteriumkernen eine wichtige Rolle, aber dieser Prozess dürfte technisch kaum je mit einer genügenden Reaktionsrate technisch realisierbar werden.

Weitere Unterschiede

Verschiedene Isotope unterscheiden sich auch im quantenphysikalischen Charakter als Fermionen oder Bosonen. Die spielt in der Tieftemperaturphysik z. B. bei Helium eine wichtige Rolle; Helium 3 verhält sich hier mit seinem fermionischen Charakter wesentlich anders als das bosonische Helium 4.

Siehe auch: Nuklid, Radionuklid, Radioaktivität, Kernreaktor