Wie nennt man Teilchen mit gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl?

Isotope

1.     Einleitung

2.     Terminologie

3.     Analytik

4.     Anwendungen

5.     Kontrollfragen

1.Einleitung

Alle Atome eines Elements haben die gleiche Ordnungs- bzw. Kernladungszahl. Diese Zahl gibt an wie viele Protonen der Kern des jeweiligen Atoms enthält. Da das jeweilige Atom, sofern es nicht ionisiert ist, elektrisch neutral vorliegt, können wir von der Anzahl der positiv geladenen Protonen auf die Anzahl der negativ geladenen Elektronen schließen. So trägt Helium mit der Ordnungszahl 2, 2 Protonen im Kern und 2 Elektronen kreisen in den Orbitalen um diesen Kern. Zu den Protonen im Kern gesellen sich jedoch noch Neutronen. Sie weisen die gleiche Masse auf wie Protonen tragen aber keine Ladung. Aus der Summe der Protonen und Neutronen ergibt sich die Massenzahl.

Elemente mit gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl nennt man Isotope.

2. Terminologie

Nehmen wir an wir betrachten 2 Atome, beide haben die Ordnungszahl 17, eines mit einer Massenzahl von 35, das andere mit einer Massenzahl von 37. Es handelt sich beides mal um Isotope des Chlors.

Man sagt dann in etwa:

Offenbar definiert die Ordnungszahl, nicht aber die Massenzahl die chemischen Eigenschaften des Elements. Dem zu Folge unterscheiden sich Isotope eines Elements in ihren chemischen Merkmalen (fast) nicht. Bei Isotopen eines Elements mit sehr großen Massedifferenzen gibt es geringe Unterschiede im chemischen Verhalten. Diese Unterschiede sind jedoch vernachlässigbar klein, weshalb man oft vereinfacht sagt Isotope sind chemisch identisch. Im Gegensatz dazu unterscheiden sich die Isotope allerdings in ihren physikalischen Eigenschaften. Man bezeichnet die Unterschiede im physikalischen (und auch chemischen) Verhalten als Isotopeneffekt.

Von manchen Elementen in der Natur findet man nur ein Isotop, man spricht hierbei von „isotopenreinen“ Elementen. Meistens jedoch bestehen die natürlichen Elemente aus Gemischen mehrerer Isotope, was auch der Grund ist warum Massenzahlen im PSE ungerade sind. Massenzahlen werden über einen gewichteten Durchschnitt der bekannten Isotope eines Elements bestimmt. Wegen ihrer chemischen Ähnlichkeit sind Isotope in der Natur nicht getrennt aufzufinden.

Zum besseren Verständnis des Isotopenbegriff schauen wir uns folgendes Beispiel an. In etwa jedes 6000ste Wasserstoffatom (H) enthält noch ein Neutron in seinem Kern. Man nennt dieses Isotop auch Deuterium, noch seltener sind H-Atome mit 2 Neutronen (Tritium). Chemisch verhalten sich diese Atome alle wie Wasserstoff, sie weisen jedoch einige unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf. Tritium ist anders als Protium und Deuterium instabil, es zerfällt mit einer Halbwertszeit von ca. 12,3 Jahren zu einem 3He Isotop, also einem stabilen Helium-Isotop mit einer Massenzahl von 3 und gibt dabei ein Antineutrino und ein Elektron ab.

Abb. 1: Isotope des Wasserstoffs

3. Analytik

Um nun aber diese Isotope selektiv voneinander trennen und isolieren zu können und sie somit technologisch nutzbar zu machen, bedarf es eines sogenannten Massenspektrometers. Dieses Gerät ermöglicht es uns zu ermitteln, welche Isotope in einem Element vorhanden sind, wie schwer sie sind und in welchem Mengenverhältnis sie vorliegen. Dies spielt vor allem bei der Festlegung der relativen Atommasse eines Elements eine wichtige Rolle, denn dazu muss das Verhältnis des natürlichen Isotopengemisches des entsprechenden Elements festgestellt werden. Durch Mittelung erhält man dann die besagte Größe.

Abb. 2: Massenspektroskopie

Die zu untersuchende Substanz wird verdampft und mit einem Elektronenstrahl beschossen. Durch das Einbringen der notwendigen Energie durch den Strahl können positive Ionen (Kationen) entstehen, die durch eine angelegte elektrische Spannung in Richtung eines Spalts beschleunigt werden. Nachdem die Kationen den Spalt mit einer hohen Geschwindigkeit durchflogen haben, müssen sie ein nachgeschaltetes Magnetfeld passieren. Dieses Magnetfeld zwingt geladene Teilchen auf eine Kreisbahn, deren Radius vom Verhältnis Ladung (q) zu Masse (m) abhängt. Dieses Funktionsprinzip ermöglicht eine örtliche Auftrennung der Ionen, wobei durch Änderung der magnetischen Feldstärke jedes Ion selektiv detektiert werden kann.

4. Anwendungen

Besonders in der Chemie und in der Medizin macht man sich die Existenz bestimmter Isotope zu Nutze. In der Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen spielen Isotope eine maßgebende Rolle. Mittels Magnetresonanzspektroskopie (kurz: NMR für Nuclear Magnetic Resonance) kann man aufgrund des magnetischen Moments bestimmter Isotopen im angelegten Wechselstrommagnetfeld Informationen über die Struktur der Substanzen erhalten. Das 13C- sowie das 2H-NMR (Deuterium) sind zwei der am häufigsten angewendeten Varianten.

Wie oben kurz erwähnt, und im Kapitel „Atomphysik“ genauer ausgeführt, neigen einige Isotope zum Zerfall und emittieren dabei jeweils eine charakteristische Art Strahlung. Dieser Umstand wird in der medizinischen Forschung, aber auch klinischen Diagnostik und Therapie genutzt. Die Nuklearmedizin verwendet heute hauptsächlich drei Typen von Radionukleiden: 123I und 131I (Iod) in der Schilddrüsendiagnostik und–therapie, 99Tc (Technetium) in den meisten anderen übrigen bildgebenden, nuklearmedizinischen Verfahren. In der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) werden die Positronenstrahler 11C, 13N, 15O, sowie 18F eingesetzt.

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