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Unternehmen | 21.11.2022

Was sind Isotope (und Isotopengemische)?

Isotope sind Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Massenanzahl. Was das genau bedeutet und wofür Isotope (und Isotopengemische) verwendet werden, erklärt Lena Niehues, Produktmanagerin Spezialgase.

Was ist ein Isotop?

Die uns umgebende Materie besteht aus fast 100 verschiedenen Elementen. Zu welchem dieser Elemente ein Atom gehört, ergibt sich aus der Anzahl der Protonen (positiv geladene Teilchen) und Neutronen (ungeladene Teilchen) im Atomkern. Die Zahl der Protonen bestimmt die Ordnungszahl des Elements im Periodensystem, die Zahl der Neutronen die Massenzahl.

Man spricht von Isotopen, wenn zwei Atome gleich viele Protonen haben, also dem gleichen Element angehören, aber eine unterschiedliche Zahl von Neutronen haben, also eine unterschiedliche Massenzahl aufweisen. Ganz einfach ausgedrückt: Zwei Isotope eines Elementes sind wie Zwillinge, von denen einer ein wenig Übergewicht hat.

Ein Beispiel: Ein Atom des Elements Kohlenstoff hat immer sechs Protonen im Kern (sonst wäre es kein Kohlenstoff). Es kann aber statt sechs auch sieben oder acht Neutronen enthalten. Dann spricht man von Kohlenstoffisotopen. Um verschiedene Isotope eines Elementes eindeutig zu kennzeichnen, wird die Massenzahl links oben am Elementsymbol ergänzt. 12CO2 ist zum Beispiel ein Kohlenstoffdioxid mit sechs Neutronen im Kohlenstoff-Atomkern.
 

Was sind stabile und instabile Isotope?

In der Wissenschaft unterscheidet man zwischen stabilen Isotopen und instabilen Isotopen. 

Stabile Isotope verändern sich nicht und bleiben in ihrer Form bestehen – sie sind also stabil. Fast jedes natürlich vorkommende Element verfügt über mindestens ein stabiles Isotop. Kohlenstoff verfügt über zwei stabile Isotope: 12C und 13C. In der Natur findet man jedoch fast nur das Isotop mit der Massenzahl 12. 

Instabile Atomkerne zerfallen spontan in andere Atomkerne – sie sind also instabil. Dabei geben sie ionisierende, also radioaktive Strahlung ab. Es gibt nur einige wenige Elemente mit ausschließlich instabilen – also radioaktiven – Atomkernsorten (zum Beispiel Plutonium oder Uran). Auch Kohlenstoff hat instabile Isotopen: 14C mit einer Halbwertszeit von 5.730 Jahren und 15C mit einer Halbwertszeit von 2,45 Sekunden. In der Natur kommt 15C allerdings nicht vor, es kann nur künstlich hergestellt werden.
 

Wofür braucht man Isotope?

Isotope werden eingesetzt, um zwei Atome gleicher Art zu unterscheiden. Das funktioniert, indem man ein Atom gegen eines seiner Isotope austauscht. In der Analyse kann dann das „markierte“ Molekül in Produkten und Stoffen nachgewiesen werden. Viele diagnostische oder analytische Verfahren sind erst durch den Einsatz verschiedener Isotope möglich. 

Praxisbeispiel: Einsatz von Isotopen in der Archäologie

Isotope helfen unter anderem dabei, den Entstehungszeitraum von archäologischen, paläontologischen und geologischen Funden zu bestimmen. Das Verfahren nennt sich Radiokohlenstoffdatierung oder Radiokarbonmethode. Es beruht darauf, dass in abgestorbenen Organismen die Menge an gebundenem, radioaktivem 14C (gemäß Zerfallsgesetz) abnimmt. Lebende Organismen sind von diesem Effekt nicht betroffen, da sie ständig neuen Kohlenstoff aus der Umwelt aufnehmen, der den normalen Anteil an 14C-Isotopen nahezu konstant hält. Nach 5.730 Jahren (Halbwertszeit) ist nur noch die Hälfte an 14C vorhanden, während der Anteil an 12C unverändert bleibt. Aus dem Verhältnis von 12C und 14C lässt sich nun das Alter des Fundes bestimmen.  Allerdings darf der Fund nicht älter als 50.000 Jahre alt sein – dann ist die Menge an 14C zu klein, um sie noch verlässlich bestimmen zu können.

Praxisbeispiel: Einsatz von Isotopen bei der Diagnose von Magenkrebs 

Der bakterielle Erreger Helicobacter pylori gilt als Indikator für Magenkrebs. Zum Nachweis musste bislang eine Magenspiegelung oder gar ein aufwendiger Eingriff vorgenommen werden. Durch den Einsatz bestimmter Isotopengemische kann die Diagnose nun einfach über den Atem des Patienten erfolgen: Der Erreger wandelt im Harnstoff enthaltenen Kohlenstoff in Kohlendioxid um. Durch den Stoffwechsel wird aus einem 13C-Isotop stabiles 13CO2, das über die Atmung ausgeschieden wird. Spezielle Gemische aus 12CO2 und 13CO2 dienen als Null- und Referenzgase für das zur Diagnose verwendete massenspektroskopische Verfahren. 

Weitere Anwendungsmöglichkeiten von Isotopen

Durch den Einsatz von Isotopen können außerdem Aussagen über Lebensmittel getroffen werden – etwa zur geografischen Herkunft, zu nicht deklarierten Zusatzstoffen und zur Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen. Dieses Verfahren hat es sogar schon in den Podcast „Zeit Verbrechen“ geschafft, nachzuhören in der Folge „Die Tote im Eistal“. 

Über Westfalen:

Die Westfale Gruppe sorgt seit fast 100 Jahren für den sicheren Einsatz von gasförmigen und flüssigen Gefahrstoffen beim Kunden. Ein Spezialgebiet innerhalb der Reinstgase und Gasgemische sind die stabilen gasförmigen Isotope und deren Gemische. Weitere Informationen finden Sie hier.

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