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<br />
Als '''Isotope''' (von {{grcS|ἴσος}} ''ísos'' „gleich“ und {{lang|grc|τόπος}} ''tópos'' „Ort, Stelle“) bezeichnet man die verschiedenen [[Atom]]arten desselben [[Chemisches Element|chemischen Elements]]. Isotope desselben Elements haben in ihren [[Atomkern]]en gleich viele [[Proton]]en, aber unterschiedlich viele [[Neutron]]en. Die Isotope eines Elements haben daher dieselbe [[Ordnungszahl]], aber verschiedene [[Massenzahl]]en; es gibt also [[Sauerstoff]]isotope, [[Eisen]]isotope usw. Die verschiedenen Isotope eines Elements verhalten sich chemisch fast identisch.<br />
<br />
Der Name kommt daher, dass alle Isotope eines Elements im [[Periodensystem]] am gleichen Platz stehen. Getrennt voneinander dargestellt werden sie in einer [[Nuklidkarte]]. Die Bezeichnung Isotop ist älter als der Begriff [[Nuklid]], der ganz allgemein „Atomart“ bedeutet. „Isotop“ wird daher nach wie vor oft auch im Sinne von Nuklid benutzt, d.&nbsp;h. auch dann, wenn nicht nur von Atomen eines und desselben Elements die Rede ist. Der Begriff Isotop wurde von [[Frederick Soddy]] geprägt, der für seine Arbeiten und Erkenntnisse im Bereich der Isotope und [[Radionuklid]]e 1921 den [[Nobelpreis für Chemie]] erhielt.<br />
<br />
Von jedem bekannten Element, mit Ausnahme des erstmals 2006 synthetisierten [[Oganesson]] (Ordnungszahl 118), sind mehrere Isotope nachgewiesen (s. [[Liste der Isotope]] und [[Nuklidkarte]]). Insgesamt sind rund 3300 Isotope bekannt, davon sind etwa 240 stabil. Alle anderen sind instabil, das heißt, ihre Atome wandeln sich durch [[Radioaktiver Zerfall|radioaktiven Zerfall]] ihres Atomkerns nach mehr oder weniger langer Zeit in andere Atome um. Bei manchen lange als stabil angesehenen Isotopen ist diese Zeit so lang, dass ihr Zerfall erst in heutiger Zeit entdeckt wurde oder nur theoretisch vermutet wird.<br />
<br />
Von den 91 natürlich vorkommenden Elementen haben die 22 [[Reinelement]]e nur jeweils ein stabiles Isotop. Die übrigen 69 werden in der Natur als Gemische mehrerer Isotope vorgefunden ([[Mischelement]]e). Dabei variiert das [[Isotopenverhältnis]] geringfügig je nach Vorgeschichte des Vorkommens ([[Isotopenfraktionierung]]), was in [[Isotopenuntersuchung]]en unter anderem zur Bestimmung der Herkunft einer Probe ausgenutzt werden kann. Als chemisches [[Atomgewicht#Messung, Datensammlungen|Atomgewicht]] eines Mischelements wird der gewichtete Durchschnittswert der verschiedenen [[Atommasse]]n der Isotope dieses Elements in einem repräsentativen natürlichen Vorkommen angegeben.<br />
<br />
== Bezeichnung und Formelschreibweise ==<br />
Die Bezeichnungsweise ist in [[Nuklid#Schreibweisen|Nuklid]] ausführlich beschrieben. Im Text wird ein Isotop mit dem Elementnamen oder -symbol mit der angehängten Massenzahl bezeichnet, beispielsweise Sauerstoff-16 oder O-16, Eisen-56 oder Fe-56. Ausnahmen bilden manchmal die [[Wasserstoff]]isotope (siehe folgenden Abschnitt).<br />
<br />
Als Formelzeichen wird die Massenzahl dem Elementsymbol links oben hinzugefügt. Die [[Kernladungszahl]] ist schon durch den Namen (das Elementsymbol) gegeben, kann aber zusätzlich links unten an das Elementsymbol geschrieben werden, sofern sie – z.&nbsp;B. bei [[Kernreaktion]]en – von Interesse ist, wie in<br />
<br />
: <math>{}^{6}_{3}\mathrm{Li}+{}^{2}_{1}\mathrm{H}\rightarrow{}^{4}_{2}\mathrm{He}+{}^{4}_{2}\mathrm{He}</math><br />
<br />
Tritt in der Bezeichnung noch ein <sup>m</sup> auf (z.&nbsp;B. <sup>16m1</sup>N), so ist damit ein [[Isomer (Kernphysik)|Kernisomer]] gemeint. Wenn hinter dem <sup>m</sup> eine Zahl steht, ist dies eine Nummerierung, falls mehrere Isomere existieren.<br />
<br />
== Chemische Reaktionen von Isotopen ==<br />
Isotope eines Elements haben die gleiche Elektronenhülle. Dadurch unterscheiden sie sich nicht in der Art der möglichen [[Chemische Reaktion|Reaktionen]], sondern nur in ihrer [[Kinetik (Chemie)|Reaktionsgeschwindigkeit]], weil diese etwas masseabhängig ist.<br />
<br />
Der relative Massenunterschied ist bei schweren Elementen sehr gering. Das Verhältnis der Atommassen von [[Uran]]-238 und Uran-235 beträgt 1&nbsp;:&nbsp;1,013; in ihrem chemischen Verhalten ist kein merklicher Unterschied, zum Trennen müssen physikalische Methoden eingesetzt werden (siehe [[Urananreicherung]]). Bei den Lithiumisotopen Lithium-7 und Lithium-6 beträgt das Verhältnis 1&nbsp;:&nbsp;1,17; hier sind physikalisch-chemische Trennmethoden möglich (siehe [[Lithium#Isotope|Lithium]]). Die Massenunterschiede der drei [[Wasserstoff]]isotope sind sehr groß (<sup>1</sup>H&nbsp;:&nbsp;<sup>2</sup>H&nbsp;:&nbsp;<sup>3</sup>H wie 1&nbsp;:&nbsp;2&nbsp;:&nbsp;3), weshalb sie chemisch leicht unterschiedlich reagieren und sogar eigene Namen und chemische Symbole erhielten:<br />
* Das weitaus häufigste Wasserstoffisotop <sup>1</sup>H wird auch als [[Wasserstoff#Isotope|Protium]] oder ''leichter Wasserstoff'' bezeichnet.<br />
* Das Isotop <sup>2</sup>H wird auch als [[Deuterium]] oder ''schwerer Wasserstoff'' bezeichnet. Symbol:&nbsp;D.<br />
* Das Isotop <sup>3</sup>H wird auch als [[Tritium]] oder ''überschwerer Wasserstoff'' bezeichnet. Symbol:&nbsp;T.<br />
<br />
Das unterschiedliche chemisch-physikalische Verhalten von H und D zeigt sich bei der [[Elektrolyse]] von [[Wasser]]. Wasser mit dem normalen <sup>1</sup>[[Wasserstoff|H]] reagiert bevorzugt und wird in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, während sich Wassermoleküle, die Deuterium enthalten, im Restwasser anreichern (gegenüber dem natürlichen Mengenverhältnis von etwa 1&nbsp;:&nbsp;7.000). Dies erklärt auch warum [[Norsk Hydro]] (damals aufgrund massenhaft verfügbarer billiger Wasserkraft einer der führenden Wasserelektrolyseure der Welt) zu Beginn des Zweiten Weltkriegs über die größten Vorräte an [[Schweres Wasser|schwerem Wasser]] verfügte.<br />
<br />
Gerade in biologischen Prozessen sind teilweise Unterschiede zwischen Deuterium und Protium im Reaktionsverhalten bemerkbar, was man sich bei deuteriumhaltigen Medikamenten ''(deuterated drugs)'' zunutze macht.<br />
<br />
== Mischelemente und Reinelemente ==<br />
<br />
So gut wie alle auf der Erde natürlich vorkommenden Nuklide sind entweder stabil (d.&nbsp;h. ein Zerfall wurde nicht beobachtet) oder sind radioaktiv mit einer [[Halbwertszeit]], die nicht wesentlich kleiner als das [[Innerer Aufbau der Erde#Meteoriten, Alter der Erde|Erdalter]] ist. Diese bezeichnet man als [[Primordiales Nuklid|primordiale Nuklide]]. Dazu kommen gegebenenfalls kürzerlebige Tochterprodukte aus den [[Zerfallsreihe]]n der primordialen Nuklide.<br />
<br />
Insgesamt sind etwa 245 stabile Nuklide bekannt (siehe [[Nuklidkarte]]: '''stabile Nuklide''' sind mit schwarzem Hintergrund dargestellt). Allerdings ist bei „stabil“ zu unterscheiden, ob der Zerfall des Nuklids naturgesetzlich ausgeschlossen erscheint oder ob er möglich erscheint, aber noch nicht beobachtet wurde. Die Anzahl der im letzteren Sinn stabilen Nuklide hat sich mit der Zeit immer wieder verringert: Durch verbesserte Nachweismethoden sind einige ehemals als stabil angesehene Nuklide später als radioaktiv erkannt worden. Mit dem Nachweis der Radioaktivität von [[Bismut]]-209 im Jahr 2003 ergab sich, dass [[Blei]]-208 das schwerste stabile Nuklid und somit Blei das schwerste Element mit stabilen Isotopen ist.<ref>{{Literatur |Autor=Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc, Jean-Pierre Moalic |Titel=Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth |Sammelwerk=[[Nature]] |Band=422 |Nummer=6934 |Datum=2003-04 |Seiten=876–878 |Fundstelle=Ergebnistabelle 1 |Online=http://www.nature.com/nature/journal/v422/n6934/fig_tab/nature01541_T1.html#figure-title |DOI=10.1038/nature01541}}</ref><br />
<br />
In der Natur vorkommende Elemente sind mehrheitlich Mischelemente, d.&nbsp;h. Isotopengemische. Die meisten natürlichen Isotope hat [[Zinn]] mit 10 Isotopen, gefolgt von [[Xenon]] mit 9 natürlichen Isotopen, von denen 8 stabil sind. Elemente, die dagegen nur aus einem natürlichen Isotop bestehen, nennt man [[Reinelement]]. Ein Reinelement hat also genau ein primordiales Isotop. Diese Eigenschaft haben 19 stabile und 3 langlebige instabile Elemente.<br />
<br />
== Beispiele für Isotope und deren Nutzung ==<br />
<br />
=== Wasserstoff ===<br />
Wasserstoff ist das Element mit dem stärksten chemischen [[Isotopeneffekt]]. Schwerer Wasserstoff (<sup>2</sup>H oder [[Deuterium]]) dient im [[Schwerwasserreaktor]] als [[Moderator (Physik)|Moderator]]. Überschwerer Wasserstoff (<sup>3</sup>H oder [[Tritium]]) ist radioaktiv. Er entsteht in der Atmosphäre durch die [[kosmische Strahlung]] sowie in Kernreaktoren. Tritium wurde zwischen etwa 1960 und 1998 in Leuchtfarben für Uhr-Zifferblätter usw. verwendet. In größeren Mengen sollen Deuterium und Tritium in Zukunft als Brennstoff für [[Kernfusionsreaktor]]en gebraucht werden.<br />
<br />
=== Helium ===<br />
[[Helium]] ist das Element mit dem stärksten physikalischen [[Isotopeneffekt]]. Insbesondere im [[Tieftemperaturphysik|Tieftemperaturbereich]] verhalten sich die beiden Heliumisotope sehr verschieden, da [[Helium-3|<sup>3</sup>He]] ein [[Fermion]] und <sup>4</sup>He ein [[Boson]] ist. Dies wird in [[Mischungskryostat]]en zur Erzeugung besonders tiefer Temperaturen genutzt.<br />
<br />
=== Kohlenstoff ===<br />
Das [[Radioaktivität|radioaktive]] Kohlenstoffisotop <sup>14</sup>[[Kohlenstoff|C]] wird zur [[Altersbestimmung (Archäologie)|Altersbestimmung]] organischer Substanzen benutzt ([[Radiokohlenstoffmethode]]). Natürlicher Kohlenstoff liegt hauptsächlich in den stabilen Isotopen <sup>12</sup>C und <sup>13</sup>C vor. <sup>14</sup>C entsteht in hohen atmosphärischen Schichten aus der Reaktion von [[Kosmische Strahlung|kosmischer Strahlung]] mit Stickstoff.<br />
<br />
=== Sauerstoff ===<br />
Das Verhältnis der beiden stabilen [[Sauerstoff]]isotope <sup>18</sup>O und <sup>16</sup>O wird zur Untersuchung von [[Sauerstoff#Indirekte Temperaturmessung über das δ18O-Signal|Paläo-Temperaturen]] herangezogen. Die stabilen Sauerstoffisotope eignen sich auch als natürliche [[Tracer (Geowissenschaften)|Tracer]] in aquatischen Systemen.<ref>{{Literatur |Autor=Paul Königer |Titel=Tracerhydrologische Ansätze zur Bestimmung der Grundwasserneubildung |Verlag=Inst. für Hydrologie |Ort=Freiburg i. Br. |Datum=2003 |Kommentar=zugl. Dissertation, Universität Freiburg |Online=http://www.hydrology.uni-freiburg.de/publika/FSH-Bd16-Koeniger.pdf |Format=PDF |KBytes= |DNB=969622139}}</ref><br />
<br />
=== Uran ===<br />
Das Isotop <sup>235</sup>[[Uran|U]] dient als Brennstoff in [[Kernkraftwerk]]en. Für die meisten Reaktortypen muss das Natururan dazu an <sup>235</sup>U [[Uran-Anreicherung|angereichert]] werden. Fast reines <sup>235</sup>U wird in manchen [[Kernwaffe]]n verwendet.<br />
<br />
== Isotope in der Analytik ==<br />
{{Siehe auch|Isotopenuntersuchung}}<br />
<br />
In Messungen des optischen Spektrums mit genügender Auflösung können Isotope eines Elements an ihren [[Spektrallinie]]n unterschieden werden ([[Isotopieverschiebung]]).<br />
<br />
Die Isotopenzusammensetzung in einer Probe wird in der Regel mit einem [[Massenspektrometer]] bestimmt, im Fall von [[Spurenisotop]]en mittels [[Beschleuniger-Massenspektrometrie]].<br />
<br />
Radioaktive Isotope können oft anhand ihrer [[Zerfallsprodukt]]e oder der abgegebenen [[Ionisierende Strahlung|ionisierenden Strahlung]] identifiziert werden.<br />
<br />
Isotope spielen ferner eine Rolle in der [[Kernspinresonanz|NMR-Spektroskopie]]. So hat beispielsweise das gewöhnliche Kohlenstoff-Isotop <sup>12</sup>C kein magnetisches Moment und ist daher nicht beobachtbar. Untersuchungen am Kohlenstoff können daher nur mithilfe des wesentlich selteneren <sup>13</sup>C-Isotops erfolgen.<br />
<br />
Isotope werden auch in der Aufklärung von [[Reaktionsmechanismus|Reaktionsmechanismen]] oder [[Stoffwechsel|Metabolismen]] mit Hilfe der sogenannten [[Isotopenmarkierung]] verwendet.<br />
<br />
Die Isotopenzusammensetzung des Wassers ist an verschiedenen Orten der Welt verschieden und charakteristisch. Diese Unterschiede erlauben es etwa bei [[Lebensmittel]]n wie [[Wein]] oder [[Käse]], die Deklaration des Ursprungsortes zu überprüfen.<br />
<br />
Die Untersuchung von bestimmten Isotopen-Mustern (insbesondere <sup>13</sup>C-Isotopen-Mustern) in organischen Molekülen wird als Isotopomeren-Analyse bezeichnet. Sie erlaubt unter anderem die Bestimmung intrazellulärer Stoffflüsse in lebenden Zellen. Darüber hinaus ist die Analyse von <sup>13</sup>C/<sup>12</sup>C-, <sup>15</sup>N/<sup>14</sup>N- sowie <sup>34</sup>S/<sup>32</sup>S-Verhältnissen in der [[Ökologie]] heute weit verbreitet. Anhand der [[Isotopenfraktionierung|Fraktionierung]] lassen sich Stoffflüsse in [[Nahrungsnetz]]en nachverfolgen oder die [[Trophieniveau]]s einzelner Arten bestimmen. Auch in der Medizin dienen stabile Isotope als natürliche [[Tracer (Nuklearmedizin)|Tracer]].<br />
<br />
In der [[Hydrologie]] werden aus den Konzentrationsverhältnissen von Isotopen Rückschlüsse auf hydrologische Prozesse gezogen. Der [[Wasserkreislauf]] begleitet die meisten Stoffflüsse ober- und unterhalb der Erdoberfläche. Das [[Vienna Standard Mean Ocean Water]] (VSMOV) dient oft als Referenz.<br />
<br />
Die [[Geochemie]] befasst sich mit Isotopen in [[Mineral]]en, [[Gestein]]en, [[Boden (Bodenkunde)|Boden]], [[Wasser]] und [[Erdatmosphäre]].<br />
<br />
== Siehe auch ==<br />
* [[Liste der Isotope]]<br />
* [[Mischelement|Periodensystem (PSE) mit Anzahl der Isotope]]<br />
* [[Nuklidkarte]]<br />
<br />
== Literatur ==<br />
{{Siehe auch|Radiochemie|Radioaktivität|Kernphysik}}<br />
* {{Literatur |Autor=W. J. Whitehouse, J. L. Putman |Titel=Radioactive Isotopes |Verlag=Oxford University Press ; Clarendon Press |Ort=Oxford |Datum=1953 |Sprache=en}}<br />
* {{Literatur |Autor=J. Kohl, R. D. Zentner, H. R. Lukens |Titel=Radioisotope Application Engineering |Verlag=D. Van Nostrand Company |Ort=New York |Datum=1961 |Sprache=en |Reihe=Van Nostrand Nuclear Science Series |Online=https://archive.org/details/radioisotopeappl0000unse}}<br />
* {{Literatur |Autor=Michael Thoennessen |Titel=The Discovery of Isotopes |Verlag=Springer International Publishing |Ort=Cham |Datum=2016 |Sprache=en |ISBN=978-3-319-31761-8 |DOI=10.1007/978-3-319-31763-2}}<br />
<br />
== Weblinks ==<br />
{{Wiktionary}}<br />
* [https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html Große Isotopentabelle] bei der [[International Atomic Energy Agency]] (IAEA)<br />
<br />
== Einzelnachweise ==<br />
<references /><br />
<br />
{{Normdaten|TYP=s|GND=4027801-3}}<br />
<br />
[[Kategorie:Kernphysik]]<br />
[[Kategorie:Kernchemie]]<br />
[[Kategorie:Geochronologie]]</div>imported>Invisigoth67