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Chemie · Atombau
Wie du Nuklidsymbole liest, wie sich Isotope, Isobare, Isotone und Isomere unterscheiden, wie die mittlere Atommasse entsteht und wofür Radionuklide dienen.
Ein Nuklid ist eine Atomsorte mit genau festgelegter Protonen- und Neutronenzahl. Isotope sind Nuklide desselben Elements, die sich nur in der Neutronenzahl unterscheiden.
Das Nuklidsymbol trägt die Massenzahl A links oben und die Ordnungszahl Z links unten vor dem Elementsymbol, zum Beispiel ¹⁴₆C. Die Neutronen rechnest du mit N = A − Z: ¹⁴₆C hat 6 Protonen und 8 Neutronen. Fügst du einem ¹²C ein Neutron hinzu, entsteht ¹³C: ein anderes Isotop desselben Elements, kein anderes Element.
Protonen und Neutronen legen ein Nuklid fest, die Elektronen gehören nicht zur Definition. Z, A und N im Detail → Ausführlich in: Atomkern
| Name | gleich | verschieden |
|---|---|---|
| Isotope | Z | N und A |
| Isobare | A |
| Isotone | N | Z und A |
| Isomere | Z und N | Energie des Kerns |
¹²C, ¹³C und ¹⁴C sind Isotope. ¹⁴C und ¹⁴N sind Isobare (beide A = 14). ¹⁴C und ¹⁵N sind Isotone (beide N = 8). Tc-99m und Tc-99 sind Isomere.
Früher stand "Isotop" für jede Atomsorte, heute meint es nur die Nuklide eines Elements.
Die Chemie hängt an der Elektronenhülle und damit an der Protonenzahl, darum reagieren Isotope fast identisch. Unterschiede gibt es bei Masse und Kernstabilität.
Kleine physikalische Abweichungen heißen Isotopeneffekt, etwa bei Siede- und Schmelzpunkt. Isotope gibt es als neutrale Atome und als Ionen. Deuterium bildet das "schwere Wasser" D₂O, das etwas anders siedet als H₂O.
Wasserstoff hat drei Isotope: Protium (¹H, 0 Neutronen), Deuterium (²H, 1 Neutron) und Tritium (³H, 2 Neutronen). Protium (fast 100 %) und Deuterium (etwa 0,015 %) sind stabil. Tritium ist radioaktiv und zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa 12,3 Jahren durch β⁻-Zerfall zu Helium-3.
Die meisten Elemente kommen in der Natur als Isotopengemisch vor. Die Atommasse im Periodensystem ist der Mittelwert, gewichtet nach Häufigkeit. Darum sind die Werte meist keine ganzen Zahlen. Die relative Atommasse Aᵣ ist eine reine Zahl; 1 u ≈ 1,66 · 10⁻²⁷ kg entspricht einem Dalton.
0,75 · 35 + 0,25 · 37 = 35,5Chlor: etwa 75 % ³⁵Cl und 25 % ³⁷Cl, in u
Wenige Elemente bestehen aus nur einem stabilen Isotop (Reinelemente, isotopenrein), etwa Fluor und Natrium. Chlor, Stickstoff und Sauerstoff gehören nicht dazu.
Leichte stabile Kerne haben etwa so viele Neutronen wie Protonen, schwere brauchen mehr. Ein ungünstiges Verhältnis macht den Kern instabil.
Solche Radionuklide zerfallen unter Strahlung, die Halbwertszeit ist die Zeit, in der die Hälfte zerfallen ist. → Ausführlich in: Radioaktivität
| Nuklid | Einsatz | Strahlung |
|---|---|---|
| Tc-99m | Bildgebung | γ |
| Iod-123 | Schilddrüsendiagnostik | γ |
| Iod-131 | Schilddrüsentherapie | β⁻ |
| F-18, C-11, N-13, O-15 | PET | β⁺ |
Tc-99m ist das wichtigste Nuklid der Bildgebung und ein angeregter Zustand (Isomer) von Tc-99, das m steht für metastabil. Iod-131 dient auch der Diagnostik. Die PET nutzt kurzlebige Positronenstrahler. Stabil heißt nicht häufig: Deuterium ist stabil und trotzdem selten.
Die Massenspektrometrie misst die Isotopenzusammensetzung einer Probe:
Die NMR nutzt das magnetische Moment von ¹H und ¹³C, um Molekülstrukturen aufzuklären.
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Deine AufgabeLies für jedes Isotop A und Z ab und berechne N = A − Z. Was bleibt bei allen drei gleich, was ändert sich?
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
