AlsIsotope (vonaltgriechischἴσοςísos „gleich“ undτόποςtópos „Ort, Stelle“) bezeichnet man die verschiedenenAtomarten desselbenchemischen Elements. Isotope desselben Elements haben in ihrenAtomkernen gleich vieleProtonen, aber unterschiedlich vieleNeutronen. Die Isotope eines Elements haben daher dieselbeOrdnungszahl, aber verschiedeneMassenzahlen; es gibt alsoSauerstoffisotope,Eisenisotope usw. Die verschiedenen Isotope eines Elements verhalten sich chemisch fast identisch.

Der Name kommt daher, dass alle Isotope eines Elements imPeriodensystem am gleichen Platz stehen. Getrennt voneinander dargestellt werden sie in einerNuklidkarte. Die Bezeichnung Isotop ist älter als der BegriffNuklid, der ganz allgemein „Atomart“ bedeutet. „Isotop“ wird daher nach wie vor oft auch im Sinne von Nuklid benutzt, d. h. auch dann, wenn nicht nur von Atomen eines und desselben Elements die Rede ist. Der Begriff Isotop wurde vonFrederick Soddy geprägt, der für seine Arbeiten und Erkenntnisse im Bereich der Isotope undRadionuklide 1921 denNobelpreis für Chemie erhielt.

Von jedem bekannten Element, mit Ausnahme des erstmals 2006 synthetisiertenOganesson (Ordnungszahl 118), sind mehrere Isotope nachgewiesen (s.Liste der Isotope undNuklidkarte). Insgesamt sind rund 3300 Isotope bekannt, davon sind etwa 240 stabil. Alle anderen sind instabil, das heißt, ihre Atome wandeln sich durchradioaktiven 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.

Von den 91 natürlich vorkommenden Elementen haben die 22Reinelemente nur jeweils ein stabiles Isotop. Die übrigen 69 werden in der Natur als Gemische mehrerer Isotope vorgefunden (Mischelemente). Dabei variiert dasIsotopenverhältnis geringfügig je nach Vorgeschichte des Vorkommens (Isotopenfraktionierung), was inIsotopenuntersuchungen unter anderem zur Bestimmung der Herkunft einer Probe ausgenutzt werden kann. Als chemischesAtomgewicht eines Mischelements wird der gewichtete Durchschnittswert der verschiedenenAtommassen der Isotope dieses Elements in einem repräsentativen natürlichen Vorkommen angegeben.

Die Bezeichnungsweise ist inNuklid 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 dieWasserstoffisotope (siehe folgenden Abschnitt).

Als Formelzeichen wird die Massenzahl dem Elementsymbol links oben hinzugefügt. DieKernladungszahl ist schon durch den Namen (das Elementsymbol) gegeben, kann aber zusätzlich links unten an das Elementsymbol geschrieben werden, sofern sie – z. B. beiKernreaktionen – von Interesse ist, wie in

${\displaystyle {}_3^6\mathrm{L}\mathrm{i}+{}_1^2\mathrm{H}\to {}_2^4\mathrm{H}\mathrm{e}+{}_2^4\mathrm{H}\mathrm{e}}$

Tritt in der Bezeichnung noch ein^m auf (z. B.^16m1N), so ist damit einKernisomer gemeint. Wenn hinter dem^m eine Zahl steht, ist dies eine Nummerierung, falls mehrere Isomere existieren.

Isotope eines Elements haben die gleiche Elektronenhülle. Dadurch unterscheiden sie sich nicht in der Art der möglichenReaktionen, sondern nur in ihrerReaktionsgeschwindigkeit, weil diese etwas masseabhängig ist.

Der relative Massenunterschied ist bei schweren Elementen sehr gering. Das Verhältnis der Atommassen vonUran-238 und Uran-235 beträgt 1 : 1,013; in ihrem chemischen Verhalten ist kein merklicher Unterschied, zum Trennen müssen physikalische Methoden eingesetzt werden (sieheUrananreicherung). Bei den Lithiumisotopen Lithium-7 und Lithium-6 beträgt das Verhältnis 1 : 1,17; hier sind physikalisch-chemische Trennmethoden möglich (sieheLithium). Die Massenunterschiede der dreiWasserstoffisotope sind sehr groß (¹H : ²H : ³H wie 1 : 2 : 3), weshalb sie chemisch leicht unterschiedlich reagieren und sogar eigene Namen und chemische Symbole erhielten:

• Das weitaus häufigste Wasserstoffisotop¹H wird auch alsProtium oderleichter Wasserstoff bezeichnet.
• Das Isotop²H wird auch alsDeuterium oderschwerer Wasserstoff bezeichnet. Symbol: D.
• Das Isotop³H wird auch alsTritium oderüberschwerer Wasserstoff bezeichnet. Symbol: T.

Das unterschiedliche chemisch-physikalische Verhalten von H und D zeigt sich bei derElektrolyse vonWasser. Wasser mit dem normalen¹H 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 : 7.000). Dies erklärt auch warumNorsk Hydro (damals aufgrund massenhaft verfügbarer billiger Wasserkraft einer der führenden Wasserelektrolyseure der Welt) zu Beginn des Zweiten Weltkriegs über die größten Vorräte anschwerem Wasser verfügte.

Gerade in biologischen Prozessen sind teilweise Unterschiede zwischen Deuterium und Protium im Reaktionsverhalten bemerkbar, was man sich bei deuteriumhaltigen Medikamenten(deuterated drugs) zunutze macht.

So gut wie alle auf der Erde natürlich vorkommenden Nuklide sind entweder stabil (d. h. ein Zerfall wurde nicht beobachtet) oder sind radioaktiv mit einerHalbwertszeit, die nicht wesentlich kleiner als dasErdalter ist. Diese bezeichnet man alsprimordiale Nuklide. Dazu kommen gegebenenfalls kürzerlebige Tochterprodukte aus denZerfallsreihen der primordialen Nuklide.

Insgesamt sind etwa 245 stabile Nuklide bekannt (sieheNuklidkarte: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 vonBismut-209 im Jahr 2003 ergab sich, dassBlei-208 das schwerste stabile Nuklid und somit Blei das schwerste Element mit stabilen Isotopen ist.^[1]

In der Natur vorkommende Elemente sind mehrheitlich Mischelemente, d. h. Isotopengemische. Die meisten natürlichen Isotope hatZinn mit 10 Isotopen, gefolgt vonXenon mit 9 natürlichen Isotopen, von denen 8 stabil sind. Elemente, die dagegen nur aus einem natürlichen Isotop bestehen, nennt manReinelement. Ein Reinelement hat also genau ein primordiales Isotop. Diese Eigenschaft haben 19 stabile und 3 langlebige instabile Elemente.

Wasserstoff ist das Element mit dem stärksten chemischenIsotopeneffekt. Schwerer Wasserstoff (²H oderDeuterium) dient imSchwerwasserreaktor alsModerator. Überschwerer Wasserstoff (³H oderTritium) ist radioaktiv. Er entsteht in der Atmosphäre durch diekosmische 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 fürKernfusionsreaktoren gebraucht werden.

Helium ist das Element mit dem stärksten physikalischenIsotopeneffekt. Insbesondere imTieftemperaturbereich verhalten sich die beiden Heliumisotope sehr verschieden, da³He einFermion und⁴He einBoson ist. Dies wird inMischungskryostaten zur Erzeugung besonders tiefer Temperaturen genutzt.

Dasradioaktive Kohlenstoffisotop¹⁴C wird zurAltersbestimmung organischer Materialien (Archäologie) benutzt (Radiokohlenstoffmethode). Natürlicher Kohlenstoff liegt hauptsächlich in den stabilen Isotopen¹²C und¹³C vor.¹⁴C entsteht in hohen atmosphärischen Schichten aus der Reaktion vonkosmischer Strahlung mit Stickstoff.

Das Verhältnis der beiden stabilenSauerstoffisotope¹⁸O und¹⁶O wird zur Untersuchung vonPaläo-Temperaturen herangezogen. Die stabilen Sauerstoffisotope eignen sich auch als natürlicheTracer in aquatischen Systemen.^[2]

Das Isotop²³⁵U dient als Brennstoff inKernkraftwerken. Für die meisten Reaktortypen muss das Natururan dazu an²³⁵Uangereichert werden. Fast reines²³⁵U wird in manchenKernwaffen verwendet.

In Messungen des optischen Spektrums mit genügender Auflösung können Isotope eines Elements an ihrenSpektrallinien unterschieden werden (Isotopieverschiebung).

Die Isotopenzusammensetzung in einer Probe wird in der Regel mit einemMassenspektrometer bestimmt, im Fall vonSpurenisotopen mittelsBeschleuniger-Massenspektrometrie.

Radioaktive Isotope können oft anhand ihrerZerfallsprodukte oder der abgegebenenionisierenden Strahlung identifiziert werden.

Isotope spielen ferner eine Rolle in derNMR-Spektroskopie. So hat beispielsweise das gewöhnliche Kohlenstoff-Isotop¹²C kein magnetisches Moment und ist daher nicht beobachtbar. Untersuchungen am Kohlenstoff können daher nur mithilfe des wesentlich selteneren¹³C-Isotops erfolgen.

Isotope werden auch in der Aufklärung vonReaktionsmechanismen oderMetabolismen mit Hilfe der sogenanntenIsotopenmarkierung verwendet.

Die Isotopenzusammensetzung des Wassers ist an verschiedenen Orten der Welt verschieden und charakteristisch. Diese Unterschiede erlauben es etwa beiLebensmitteln wieWein oderKäse, die Deklaration des Ursprungsortes zu überprüfen.

Die Untersuchung von bestimmten Isotopen-Mustern (insbesondere¹³C-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 von¹³C/¹²C-,¹⁵N/¹⁴N- sowie³⁴S/³²S-Verhältnissen in derÖkologie heute weit verbreitet. Anhand derFraktionierung lassen sich Stoffflüsse inNahrungsnetzen nachverfolgen oder dieTrophieniveaus einzelner Arten bestimmen. Auch in der Medizin dienen stabile Isotope als natürlicheTracer.

In derHydrologie werden aus den Konzentrationsverhältnissen von Isotopen Rückschlüsse auf hydrologische Prozesse gezogen. DerWasserkreislauf begleitet die meisten Stoffflüsse ober- und unterhalb der Erdoberfläche. DasVienna Standard Mean Ocean Water (VSMOV) dient oft als Referenz.

DieGeochemie befasst sich mit Isotopen inMineralen,Gesteinen,Boden,Wasser undErdatmosphäre.

• Liste der Isotope
• Periodensystem (PSE) mit Anzahl der Isotope
• Nuklidkarte

• W. J. Whitehouse, J. L. Putman:Radioactive Isotopes. Oxford University Press ; Clarendon Press, Oxford 1953 (englisch). 
• J. Kohl, R. D. Zentner, H. R. Lukens:Radioisotope Application Engineering (= Van Nostrand Nuclear Science Series). D. Van Nostrand Company, New York 1961 (englisch,archive.org). 
• Michael Thoennessen:The Discovery of Isotopes. Springer International Publishing, Cham 2016,ISBN 978-3-319-31761-8,doi:10.1007/978-3-319-31763-2 (englisch). 

Wiktionary: Isotop – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Große Isotopentabelle bei derInternational Atomic Energy Agency (IAEA)

1. ↑Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc, Jean-Pierre Moalic:Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth. In:Nature.Band 422,Nr. 6934, April 2003,S. 876–878,Ergebnistabelle 1,doi:10.1038/nature01541 (nature.com). 
2. ↑Paul Königer:Tracerhydrologische Ansätze zur Bestimmung der Grundwasserneubildung. Inst. für Hydrologie, Freiburg i. Br. 2003,DNB 969622139 (uni-freiburg.de [PDF] zugl. Dissertation, Universität Freiburg). 

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