Isotopen zijn van hetzelfde element met verschillende massagetallen. Wat dit precies betekent en waar isotopen (en isotopenmengsels) voor worden gebruikt, wordt uitgelegd door Lena Niehues, productmanager speciale gassen in Duitsland.
Wat is een isotoop?
De materie om ons heen bestaat uit bijna 100 verschillende elementen. Tot welk van deze elementen een atoom behoort, wordt bepaald door het aantal protonen (positief geladen deeltjes) en neutronen (ongeladen deeltjes) in de atoomkern. Het aantal protonen bepaalt het atoomnummer van het element in het periodiek systeem, het aantal neutronen het massagetal.
Men spreekt van isotopen wanneer twee atomen hetzelfde aantal protonen hebben, d.w.z. tot hetzelfde element behoren, maar een verschillend aantal neutronen hebben, d.w.z. een verschillend massagetal hebben. Heel eenvoudig gezegd: Twee isotopen van een element zijn als een tweeling, waarvan er één iets te zwaar is.
Een voorbeeld: Een atoom van het element koolstof heeft altijd zes protonen in zijn kern (anders zou het geen koolstof zijn). Het kan echter ook zeven of acht neutronen bevatten in plaats van zes. Dan spreekt men van koolstofisotopen. Om de verschillende isotopen van een element te identificeren, wordt het massagetal linksboven bij het elementsymbool aangegeven. 12CO2, bijvoorbeeld, is een koolstofdioxide met zes neutronen in de atoomkern van koolstof.
Wat zijn stabiele en onstabiele isotopen?
In de wetenschap wordt onderscheid gemaakt tussen stabiele isotopen en onstabiele isotopen.
Stabiele isotopen veranderen niet en blijven in hun vorm - ze zijn dus stabiel. Bijna elk in de natuur voorkomend element heeft ten minste één stabiele isotoop. Koolstof heeft twee stabiele isotopen: 12C en 13C. In de natuur treft men echter bijna alleen de isotoop met massagetal 12 aan.
Instabiele atoomkernen vervallen spontaan in andere atoomkernen - ze zijn dus onstabiel. Daarbij zenden ze ioniserende, d.w.z. radioactieve, straling uit. Er zijn slechts enkele elementen met uitsluitend onstabiele – d.w.z. radioactieve – atoomkernen (bijvoorbeeld plutonium of uranium). Koolstof heeft ook onstabiele isotopen: 14C met een halfwaardetijd van 5.730 jaar en 15C met een halfwaardetijd van 2,45 seconden. 15C komt echter niet in de natuur voor, maar kan alleen kunstmatig worden geproduceerd.
Waar zijn isotopen voor nodig?
Isotopen worden gebruikt om twee atomen van dezelfde soort van elkaar te onderscheiden. Dit werkt door een atoom te ruilen voor een van zijn isotopen. Bij de analyse kan de "gelabelde" molecuul dan worden opgespoord in producten en stoffen. Veel diagnostische of analytische procedures zijn alleen mogelijk door het gebruik van verschillende isotopen.
Praktijkvoorbeeld: Gebruik van isotopen in de archeologie
Isotopen helpen onder andere bij het bepalen van de periode van herkomst van archeologische, paleontologische en geologische vondsten. De procedure wordt radiokoolstofdatering of radiokoolstofmethode genoemd. Het is gebaseerd op het feit dat in dode organismen de hoeveelheid gebonden, radioactief 14C (volgens de vervalwet) afneemt. Levende organismen hebben geen last van dit effect omdat zij voortdurend nieuwe koolstof uit de omgeving opnemen, waardoor de normale verhouding 14C-isotopen vrijwel constant blijft. Na 5.730 jaar (halveringstijd) is nog maar de helft van 14C aanwezig, terwijl het aandeel 12C ongewijzigd blijft. De ouderdom van de vondst kan nu worden bepaald aan de hand van de verhouding tussen 12C en 14C. De vondst mag echter niet ouder zijn dan 50.000 jaar – dan is de hoeveelheid 14C te klein om betrouwbaar te kunnen worden bepaald.
Praktijkvoorbeeld: Gebruik van isotopen bij de diagnose van maagkanker
De bacteriële ziekteverwekker Helicobacter pylori wordt beschouwd als een indicator van maagkanker. Tot nu toe moest een gastroscopie of zelfs een complexe operatie worden uitgevoerd om het op te sporen. Door het gebruik van bepaalde isotopenmengsels kan de diagnose worden gesteld via de adem van de patiënt: De verwekker zet koolstof in ureum om in koolstofdioxide. Door metabolisme wordt een 13C-isotoop omgezet in een stabiel 13CO2-isotoop, dat via de ademhaling wordt uitgescheiden. Speciale mengsels van 12CO2 en 13CO2 dienen als nul- en referentiegas voor de massaspectroscopische methode die voor de diagnose wordt gebruikt.
Andere mogelijke toepassingen van isotopen
Het gebruik van isotopen maakt het ook mogelijk uitspraken te doen over voedsel – bijvoorbeeld over de geografische oorsprong, niet-aangegeven additieven en de naleving van wettelijke voorschriften. Deze procedure heeft zelfs de Duitse podcast "Zeit Verbrechen" gehaald, luister naar de Duitse aflevering "Die Tote im Eistal".