Isotope

Schlagwörter: Isotop, Nuklid, Nukleon, Kernphysik, Nuklidkarte

Ein chemisches Element ist durch die Anzahl der Protonen klar definiert. Neben den Protonen, gibt es in fast allen Kernen auch Neutronen. Die Anzahl der Neutronen in einem Kern hat aber keinen Einfluss auf die chemischen Eigenschaften. Sie beeinflusst nur die Stabilität eines Kerns.

Wie unterscheiden sich Kerne mit gleicher Protonenzahl?

Elemente mit gleicher Protonenzahl können unterschiedlich viele Neutronen haben. Sie bilden die Isotope eines Elements. Die Atome eines chemischen Elements, die sich durch die Anzahl der Neutronen unterscheiden, nennt man Isotope.

01 Wasserstoff H-1
02 Wasserstoff H-2
03 Wasserstoff H-3
04 Isotope des Wasserstoffs
05 Wasserstoff - PSE

Aus dem Periodensystem der Elemente (PSE) kennen wir verschiedene chemische Elemente. Das erste Element ist Wasserstoff. Ein chemisches Element ist durch die Anzahl der Protonen im Kern klar definiert.  Die Anzahl der Protonen entspricht der Kernladungszahl bzw. der Ordnungszahl im PSE.

Neben den Protonen gibt es einen weiteren Kernbaustein, das Neutron. Neutronen sind elektrisch neutral.

Atombausteine

  • Protonen: positive Ladung (e+), befinden sich im Kern
  • Neutronen: elektrisch neutral, befinden sich im Kern
  • Elektronen: negative Ladung (e), befinden sich in der Hülle

e ist die Elementarladung. Sie ist die kleinste in der Natur auftretende Ladung. Alle auftretenden Ladungen sind ein ganzzahliges Vielfaches von e.  Die Elementarladung e beträgt:

e=1,602176 · 10-19 C

Historisch wurde die Elementarladung im Millikan-Versuch bestimmt. 

Die Elektronen haben die geringste Masse. Protonen und Neutronen sind ca. 1800-mal schwerer als Elektronen. Dabei ist die Masse der Neutronen geringfügig höher, als die der Protonen.

  • Elektronen me = 9,109382 ·10-31 kg
  • Protonen mp = 1,672622 ·10-27 kg
  • Neutronen mn = 1,674927 ·10-27 kg

Die Neutronen dienen u.a. der Stabilisierung des Kerns.

Nuklid - Schreibweise

Wenn wir ein chemisches Element bezeichnen, dann reicht die „Kurzschreibweise“ aus dem PSE. Diese Schreiweise ist eindeutig und international gültig. (H-Wasserstoff; He-Helium; Li–Lithium; …)

Wenn es zu jedem chemischen Element  verschiedene Nuklide gibt, dann benötigen wir eine weitere Angabe, die eine eindeutige Zuordnung möglich macht. Ein Nuklid bezeichnet dabei ein Atom mit einer bestimmten Protonen- und Neutronenzahl.

Die Kernbausteine (Protonen und Neutronen) werden auch als Nukleonen bezeichnet.

{ \huge{}_{Kernladungszahl}^{Massenzahl}Element }

  • Massenzahl: Summe der Protonen und Neutronen
  • Kernladungszahl: Anzahl der Protonen bzw. Ordnungszahl im PSE

Eine weitere Schreibweise, die ein Nuklid eindeutig identifiziert, ist die Form Element-Massenzahl

Beispiel: O-15; C-14; Am-241; …

  • O-15: O steht für das Element Sauerstoff. Sauerstoff hat die Kernladungszahl 8. Wenn die Massenzahl 15 ist, dann hat O-15 sieben Neutronen. 8 Protonen + 7 Neutronen = 15 Nukleonen
  • C-14: C steht für das Element Kohlenstoff. Kohlenstoff hat die Kernladungszahl 6. Wenn die Massenzahl 14 ist, dann hat C-14 acht Neutronen. 6 Protonen + 8 Neutronen = 14 Nukleonen
  • Am-241: Am steht für das Element Americium. Americium hat die Kernladungszahl 95. Wenn die Massenzahl 241 ist, dann hat Am-241 146 Neutronen.

Nuklid

Nuklid und Isotop - Was ist der Unterschied?

Der Begriff Nuklid bezeichnet dabei ein ganz bestimmtes Atom das durch seine Protonenzahl und Neutronenzahl klar definiert ist. (z.B. C-14 – Kohlenstoff, 6 Protonen und 8 Neutronen)

Wenn man von Isotopen spricht, dann meint man i.d.R. die verschiedenen Nuklide eines Atoms.

Die Unterscheidung von Nuklid und Isotop ist eher akademischer Natur. Verschwendet hierauf nicht allzu viel Zeit und Gedanken. Die Begriffe sind getrennt voneinander entstanden und lassen sich daher schwer voneinander abgrenzen.

Alle Nuklide, die die gleiche Protonenzahl haben, werden als Isotope des Elements bezeichnet.

{ \large\displaystyle \overbrace{\underbrace{{}_{6}^{9}C}_{Nuklid}\,\,\,\,\underbrace{{}_{6}^{10}C}_{Nuklid}\,\,\,\,\underbrace{{}_{6}^{11}C}_{Nuklid}\,\,\,\,\underbrace{{}_{6}^{12}C}_{Nuklid}\,\,\,\,\underbrace{{}_{6}^{13}C}_{Nuklid}\,\,\,\,\underbrace{{}_{6}^{14}C}_{Nuklid}\,\,\,\,\underbrace{{}_{6}^{15}C}_{Nuklid}\,\,\,\,\underbrace{{}_{6}^{16}C}_{Nuklid}}^{Isotope\,\,\,\,des\,\,\,\,Kohlenstoffs}  }

Isotope des Kohlenstoffs

Die Nuklide treten mit sehr unterschiedlichen Häufigkeiten auf. Diese sind der Nuklidkarte zu entnehmen. Am Beispiel des Kohlenstoffs (C) sehen wir, dass es 8 verschiedene Isotope des Kohlenstoffs gibt. C-12, also das Kohlenstoffatom mit 6 Protonen und 6 Neutronen ist mit 98,89 % das am häufigsten auftretende Kohlenstoffisotop. Es ist, wie das Isotop C-13 stabil.

Auch wenn die anderen Isotope deutlich seltener auftreten, so sind sie doch von Bedeutung und messbarer Relevanz. Ein Beispiel bietet das Kohlenstoffisotop C-14. Es wird zur Altersbestimmung z.B. archäologischer Funde genutzt (Radiokarbon Methode bzw. C-14 Methode).

Nuklidkarte

Im PSE sind alle chemischen Elemente aufgeführt. Die Elemente unterscheiden sich durch ihre Ordnungszahl (bzw. Kernladungszahl, Anzahl der Protonen im Kern). Die Elemente unterscheiden sich hinsichtlich ihrer chemischen Struktur.

In der Nuklidkarte sind neben den Elementen (untereinander) auch die Isotope der einzelnen Elemente aufgeführt. Damit ist die Nuklidklarte deutlich umfangreicher. So haben einige Elemente mehr als 20 Isotope. Die Nuklidkarte gibt Auskunft darüber:

  • wie häufig ein Nuklid auftritt
  • ob die betreffenden Nuklide stabil sind oder ob diese zerfallen
  • welcher Zerfall wahrscheinlich ist
  • die Halbwertzeit

Energie der Strahlung beim Zerfall