Isotope einfach erklärt – Aufbau, Formel und Beispiele

Isotope sind Atome desselben chemischen Elements, die sich in der Anzahl ihrer Neutronen im Atomkern unterscheiden. Da die Protonenzahl das Element festlegt, haben alle Isotope eines Elements dieselbe Ordnungszahl, aber je nach Neutronenzahl unterschiedliche Massenzahlen. Kohlenstoff kommt zum Beispiel als Kohlenstoff-12, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14 vor, alle mit sechs Protonen, aber mit sechs, sieben beziehungsweise acht Neutronen.

Weil die Elektronenzahl und damit die Elektronenhülle bei Isotopen gleich bleibt, verhalten sich Isotope eines Elements chemisch fast identisch, ihre chemischen Eigenschaften werden nämlich von der Elektronenhülle bestimmt. Unterschiede zeigen sich vor allem in der Masse und teilweise in der Stabilität des Atomkerns, manche Isotope sind stabil, andere radioaktiv und zerfallen mit der Zeit.

Ein typischer Fehler ist, Isotope mit Ionen zu verwechseln. Ionen entstehen durch die Aufnahme oder Abgabe von Elektronen und haben deshalb eine elektrische Ladung, während Isotope sich ausschließlich durch die Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden und elektrisch neutral bleiben können.

In der Natur kommen die meisten Elemente als Gemisch mehrerer Isotope vor, die in unterschiedlichen Anteilen auftreten. Chlor besteht zum Beispiel zu etwa 75,77 Prozent aus Chlor-35 und zu etwa 24,23 Prozent aus Chlor-37, aus diesem Mischungsverhältnis ergibt sich die im Periodensystem angegebene mittlere Atommasse von Chlor, die mit 35,45 zwischen den beiden ganzzahligen Massenzahlen liegt.

Manche Isotope sind stabil und bleiben unbegrenzt lange unverändert, andere sind radioaktiv und zerfallen mit einer für das jeweilige Isotop charakteristischen Halbwertszeit in andere Elemente. Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 sind stabil, Kohlenstoff-14 dagegen ist radioaktiv und zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa 5.730 Jahren, was man sich bei der Altersbestimmung organischer Materialien zunutze macht.

Wichtig ist, dass sich stabile und radioaktive Isotope desselben Elements chemisch nahezu identisch verhalten, weil ihre Elektronenhülle gleich aufgebaut ist. Nur bei sehr genauen Messungen oder bei sehr leichten Elementen wie Wasserstoff zeigen sich geringe Unterschiede im Reaktionsverhalten, den sogenannten Isotopeneffekt.

Ein häufiger Fehler ist, die im Periodensystem angegebene Atommasse mit der Massenzahl eines einzelnen Isotops zu verwechseln. Die Atommasse im Periodensystem ist ein gewichteter Mittelwert über alle natürlich vorkommenden Isotope eines Elements, während die Massenzahl in der Nuklidschreibweise sich immer auf ein einzelnes, bestimmtes Isotop bezieht und deshalb stets eine ganze Zahl ist.

Ein zweiter Fehler ist zu glauben, unterschiedliche Isotope eines Elements hätten unterschiedliche chemische Eigenschaften. Da die Elektronenzahl bei allen Isotopen eines Elements gleich bleibt, reagieren sie chemisch fast identisch, Unterschiede zeigen sich vor allem bei der Masse und bei radioaktiven Isotopen bei der Stabilität des Atomkerns.

Ein dritter Fehler ist, die Formel n = m - z mit vertauschten Werten anzuwenden, also die Ordnungszahl von der Neutronenzahl statt von der Massenzahl abzuziehen. Ein Blick auf die Nuklidschreibweise hilft: Die obere Zahl ist immer die Massenzahl, die untere immer die Ordnungszahl.

Radioaktive Isotope werden gezielt in der Medizin eingesetzt, etwa bei der Radiojodtherapie mit Iod-131 zur Behandlung von Schilddrüsenerkrankungen oder bei bildgebenden Verfahren wie der Positronen-Emissions-Tomographie, kurz PET, die auf kurzlebigen radioaktiven Isotopen basiert. Dabei nutzt man aus, dass sich radioaktive Isotope wie ihre stabilen Verwandten im Körper verteilen, aber durch ihre Strahlung nachweisbar oder gezielt zerstörerisch wirksam sind.

In der Archäologie ermöglicht die sogenannte Radiokarbonmethode, das Alter organischer Funde wie Holz oder Knochen zu bestimmen. Solange ein Lebewesen lebt, nimmt es ständig Kohlenstoff-14 aus der Umwelt auf, nach dem Tod zerfällt das Kohlenstoff-14 mit seiner charakteristischen Halbwertszeit weiter, ohne dass Nachschub folgt. Aus dem verbliebenen Anteil an Kohlenstoff-14 lässt sich so das ungefähre Alter des Fundes berechnen.