Isotope

Für jedes gegebene Atom - definiert durch die Ordnungzahl z, die die Zahl der Protonen im Atomkern angibt - gibt es Isotope, d.h. Varianten die sich durch die Zahl die Neutronen im Atomkern unterscheiden. Die Links führen zumModul "Elementarteilchen".
Während zu jedem Atom viele Isotope denkbar sind (man kann selbst zu dem einem Proton des Wasserstoffatoms 1, 2, 3, 4, 5,... viele Neutronen gedanklich addieren), lassen sich alle real existierenden Isotope in einer der drei folgenden Gruppen finden
1. Stabile Isotope. Das sind alle Isotope zu einem gegeben z, die nicht früher oder später zerfallen, d.h. unendlich lange (oder zumindest sehr lange) stabil sind.
Da bei der Erzeugung der meisten Elemente im Inneren der ersten Sonnen auch alle Isotope entstanden sind, müssen alle Elemente, die wir heute, d.h. rund und roh 10 Milliarden Jahre nach ihrer Entstehung, auf der Erde finden, Gemische stabiler (oder extrem langlebiger) Isotope sein.
Cl, zum Beispiel, mit z = 17, besteht etwa zur Hälfte aus den Isotopen 35Cl und 37Cl, d.h. aus Atomen mit (35 – 17) = 18 und (37 – 17) = 20 Neutronen. Damit ist auch gleich die Schreibweise für Isotope eingeführt. Der Rekordhalter is Sn mit 10 stabilen Isotopen; insgesamt haben wir ca. 500 stabile Isotope.
2. Relativ stabile, aber doch radioaktive natürliche Isotope, die mit irgendeiner (nicht extrem kleiner) Halbwertszeit (HWZ) zerfallen. Dabei entsteht ein neuer Atomkern kleinerer Masse und "radioaktive Strahlung" - i.d.R a- oder b-Strahlung (He-Kerne oder Elektronen); oft begleitet von g-Strahlung oder (Anti)neutrinos. Aber auch Positronen oder Neutronen können emittiert werden.
In einigen wenigen Fällen ist die HWZ so groß, daß auch heute noch einige nicht zerfallene Kerne exisitieren, obwohl ihre Entstehung recht lange zurück liegt, z.B beim Uran. Durch den Zerfall des 238U mit einer HWZ von 4,5 · 109 Jahren entstehen ständig neue radioaktive Isotope, die wiederum zerfallen, bis schließlich als Endprodukt stabiles 206Pb vorliegt.
Über diese Zerfallskette (und die des 232Th und 237Ac) entstehen laufend die radioaktiven Isotope, die wir heute noch finden. Ansonsten haben nur noch K, Rb, Sm und Lu Isotope, die langlebig genug sind, um ihre Entstehung vor Milliarden von Jahren überlebt zu haben.
Einige radioaktive Isotope entstehen aber auch heute noch auf anderem Weg - das bekannteste ist das 14C, das in der Stratosphäre durch Beschuß von "normalem" Stickstoff entsteht, "herunterrieselt", in organische Körper eingebaut wird, und nach dem Tod des Organismus mit einer HWZ von 5730 Jahren zerfällt. Damit haben organische Materialien eine Uhr eingebaut, die nach ihrem Tod anfängt zu ticken, und erst nach ca. 50 000 Jahren soweit verstummt ist, daß man sie nicht mehr ablesen kann - die berühmte "Radiocarbon Uhr"
3. Heute werden radioaktive Isotope in großer Zahl (ca. 1000 verschiedene) künstlich hergestellt - entweder gezielt, weil man das Isotop für irgendeine Anwendung braucht - oder als Abfallprodukt von Kernreaktoren (und "Atom"bomben). Anwendungen gibt es viele, vor allem in der Medizin, aber auch in der Materialwissenschaft - wir kommen noch darauf.
Der Vollständigkeit halber seien noch aufgeführt: Die instabile Isotope, die, falls man sie mit Gewalt herstellen würde, sofort wieder zerfallen. Die Grenze zu den radioaktiven Isotopen ist natürlich fließend.
Ihr einziger "Nutzen" besteht im Testen von Theorien. Denn natürlich gibt es detaillierte Modelle, mit denen man berechnen kann, welche Kernkonfigurationen wie stabil sind, und was für Halbwertszeiten man für instabile Isotope finden sollte. Eine, auch für die Materialwissenschaft (in Grenzen) spannende Vorhersage ist, daß man bei z » 114 wieder auf stabile "überschwere" Elemente stoßen sollte.
Falls das, erstens, stimmt, und, zweitens, es irgendwann mal gelingt diese Elemente in relevanten Mengen herzustellen, hätten wir zum erstenmal komplett neue elementare Materialien zur Verfügung!
 

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© H. Föll (MaWi 1 Skript)