Isotop

Chemische und molekulare EigenschaftenBearbeiten

Ein neutrales Atom hat die gleiche Anzahl von Elektronen wie Protonen. Daher haben verschiedene Isotope eines Elements alle die gleiche Anzahl von Elektronen und eine ähnliche elektronische Struktur. Da das chemische Verhalten eines Atoms weitgehend durch seine elektronische Struktur bestimmt wird, zeigen verschiedene Isotope ein nahezu identisches chemisches Verhalten.

Die wichtigste Ausnahme ist der kinetische Isotopeneffekt: Schwerere Isotope neigen aufgrund ihrer größeren Masse dazu, etwas langsamer zu reagieren als leichtere Isotope desselben Elements. Dies ist bei Protium (1
H
), Deuterium (2
H
) und Tritium (3
H
) mit Abstand am stärksten ausgeprägt, da Deuterium die doppelte Masse von Protium und Tritium die dreifache Masse von Protium hat. Diese Massenunterschiede wirken sich auch auf das Verhalten der jeweiligen chemischen Bindungen aus, indem sie den Schwerpunkt (reduzierte Masse) der Atomsysteme verändern. Bei schwereren Elementen ist der relative Massenunterschied zwischen den Isotopen jedoch viel geringer, so dass die Auswirkungen des Massenunterschieds auf die Chemie normalerweise vernachlässigbar sind. (Schwere Elemente haben auch relativ mehr Neutronen als leichtere Elemente, so dass das Verhältnis der Kernmasse zur kollektiven elektronischen Masse etwas größer ist.) Es gibt auch einen Gleichgewichtsisotopeneffekt.

Isotopenhalbwertszeiten. Z = Anzahl der Protonen. N = Anzahl der Neutronen. Der Plot für stabile Isotope weicht von der Linie Z = N ab, wenn die Elementzahl Z größer wird

Auch zwei Moleküle, die sich nur in den Isotopen ihrer Atome unterscheiden (Isotopologe), haben eine identische elektronische Struktur und damit fast ununterscheidbare physikalische und chemische Eigenschaften (auch hier sind Deuterium und Tritium die primären Ausnahmen). Die Schwingungsmoden eines Moleküls werden durch seine Form und die Massen der einzelnen Atome bestimmt, so dass verschiedene Isotopologe unterschiedliche Sätze von Schwingungsmoden haben. Da die Schwingungsmoden einem Molekül erlauben, Photonen entsprechender Energien zu absorbieren, haben Isotopologe unterschiedliche optische Eigenschaften im Infrarotbereich.

Kerneigenschaften und StabilitätBearbeiten

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die durch die residuale starke Kraft miteinander verbunden sind. Da Protonen positiv geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab. Neutronen, die elektrisch neutral sind, stabilisieren den Kern auf zwei Arten. Ihre Kopräsenz schiebt die Protonen etwas auseinander, wodurch die elektrostatische Abstoßung zwischen den Protonen verringert wird, und sie üben die anziehende Kernkraft aufeinander und auf die Protonen aus. Aus diesem Grund sind ein oder mehrere Neutronen notwendig, damit sich zwei oder mehrere Protonen zu einem Kern verbinden können. Mit zunehmender Anzahl der Protonen steigt auch das Verhältnis von Neutronen zu Protonen, das für einen stabilen Kern notwendig ist (siehe Grafik rechts). Zum Beispiel, obwohl das Neutronen:Protonen-Verhältnis von 3
2He
1:2 ist, ist das Neutronen:Protonen-Verhältnis von 238
92U
größer als 3:2. Eine Reihe von leichteren Elementen haben stabile Nuklide mit dem Verhältnis 1:1 (Z = N). Das Nuklid 40
20Ca
(Calcium-40) ist beobachtungsgemäß das schwerste stabile Nuklid mit der gleichen Anzahl von Neutronen und Protonen. Alle stabilen Nuklide, die schwerer als Calcium-40 sind, enthalten mehr Neutronen als Protonen.

Anzahl der Isotope pro Element

Von den 80 Elementen mit einem stabilen Isotop ist die größte Anzahl an stabilen Isotopen, die für ein Element beobachtet wurde, zehn (für das Element Zinn). Kein Element hat neun oder acht stabile Isotope. Fünf Elemente haben sieben stabile Isotope, acht haben sechs stabile Isotope, zehn haben fünf stabile Isotope, neun haben vier stabile Isotope, fünf haben drei stabile Isotope, 16 haben zwei stabile Isotope (wobei 180m
73Ta
als stabil gezählt wird), und 26 Elemente haben nur ein einziges stabiles Isotop (von diesen sind 19 sogenannte mononuklidische Elemente, die ein einziges stabiles Ur-Isotop haben, das dominiert und das Atomgewicht des natürlichen Elements mit hoher Genauigkeit festlegt; 3 radioaktive mononuklidische Elemente kommen ebenfalls vor). Insgesamt gibt es 252 Nuklide, deren Zerfall nicht beobachtet worden ist. Für die 80 Elemente, die ein oder mehrere stabile Isotope haben, beträgt die durchschnittliche Anzahl der stabilen Isotope 252/80 = 3,15 Isotope pro Element.

Gerade und ungerade NukleonenzahlenBearbeiten

Das Proton:Neutronenverhältnis ist nicht der einzige Faktor, der die Kernstabilität beeinflusst. Es hängt auch von der Geradzahligkeit oder Ungeradzahligkeit der Ordnungszahl Z, der Neutronenzahl N und folglich ihrer Summe, der Massenzahl A, ab. Die Ungeradzahligkeit von Z und N senkt tendenziell die Kernbindungsenergie, wodurch ungerade Kerne im Allgemeinen weniger stabil sind. Dieser bemerkenswerte Unterschied der Kernbindungsenergie zwischen benachbarten Kernen, insbesondere bei ungeraden-A-Isobaren, hat wichtige Konsequenzen: instabile Isotope mit einer nicht optimalen Anzahl von Neutronen oder Protonen zerfallen durch Betazerfall (einschließlich Positronenemission), Elektroneneinfang oder andere, weniger häufige Zerfallsarten wie Spontanspaltung und Cluster-Zerfall.

Die Mehrheit der stabilen Nuklide sind gerade-Protonen-gerade-Neutronen, bei denen alle Zahlen Z, N und A gerade sind. Die ungeradzahligen stabilen Nuklide unterteilen sich (etwa gleichmäßig) in ungeradzahlige Protonen-geradzahlige Neutronen und geradzahlige Protonen-odd-Nutronen-Nuklide. Stabile ungerade Protonen-Negativ-Neutronen-Kerne sind am wenigsten häufig.

Gerade Ordnungszahl

Die 146 geraden Protonen-, geraden Neutronen- (EE) Nuklide machen ~58% aller stabilen Nuklide aus und haben aufgrund der Paarung alle Spin 0. Es gibt auch 24 primordiale langlebige gerade-gerade Nuklide. Infolgedessen hat jedes der 41 geradzahligen Elemente von 2 bis 82 mindestens ein stabiles Isotop, und die meisten dieser Elemente haben mehrere primordiale Isotope. Die Hälfte dieser geradzahligen Elemente hat sechs oder mehr stabile Isotope. Die extreme Stabilität von Helium-4 aufgrund einer Doppelpaarung von 2 Protonen und 2 Neutronen verhindert, dass Nuklide mit fünf (5
2He
, 5
3Li
) oder acht (8
4Be
) Kernen lange genug existieren, um als Plattform für den Aufbau schwererer Elemente durch Kernfusion in Sternen zu dienen (siehe Triple-Alpha-Prozess).

53 stabile Nuklide haben eine gerade Anzahl von Protonen und eine ungerade Anzahl von Neutronen. Sie sind eine Minderheit im Vergleich zu den geradzahligen Isotopen, die etwa 3-mal so zahlreich sind. Von den 41 Elementen mit gerader Z-Zahl, die ein stabiles Nuklid haben, haben nur zwei Elemente (Argon und Cer) keine geradzahligen stabilen Nuklide. Ein Element (Zinn) hat drei. Es gibt 24 Elemente, die ein geradzahliges Nuklid haben und 13, die zwei ungeradzahlige Nuklide haben. Von 35 primordialen Radionukliden gibt es vier geradzahlige Nuklide (siehe Tabelle rechts), darunter das spaltbare 235
92U
. Aufgrund ihrer ungeraden Neutronenzahl neigen die geradzahligen Nuklide dazu, große Neutroneneinfangquerschnitte zu haben, da die Energie aus Neutronen-Paarungseffekten resultiert. Diese stabilen Nuklide mit geraden Protonen und ungeraden Neutronenzahlen kommen in der Natur eher selten vor, da sie, um sich zu bilden und in die primordiale Häufigkeit zu gelangen, während der Nukleosynthese in Sternen sowohl beim s- als auch beim r-Prozess des Neutroneneinfangs dem Neutroneneinfang entkommen sein müssen, um noch andere stabile gerade-gerade Isotope zu bilden. Aus diesem Grund sind nur 195
78Pt
und 9
4Be
die natürlich häufigsten Isotope ihres Elements.

Ungerade Ordnungszahl

Achtundvierzig stabile ungerade-Protonen-gerade-Neutronen-Nuklide, die durch ihre gepaarten Neutronen stabilisiert sind, bilden die meisten stabilen Isotope der ungeraden Elemente; die sehr wenigen ungeraden Protonen-gerade-Neutronen-Nuklide umfassen die anderen. Es gibt 41 ungerade Elemente mit Z = 1 bis 81, von denen 39 stabile Isotope haben (die Elemente Technetium (
43Tc
) und Promethium (
61Pm
) haben keine stabilen Isotope). Von diesen 39 ungeraden Z-Elementen haben 30 Elemente (einschließlich Wasserstoff-1, bei dem 0 Neutronen gerade sind) ein stabiles ungerades Isotop, und neun Elemente: Chlor (
17Cl
),Kalium (
19K
),Kupfer (
29Cu
),Gallium (
31Ga
),Brom (
35Br
),Silber (
47Ag
),Antimon (
51Sb
),Iridium (
77Ir
), und Thallium (
81Tl
), haben jeweils zwei ungerade stabile Isotope. Das macht insgesamt 30 + 2(9) = 48 stabile ungerade-gerade Isotope.

Es gibt auch fünf primordiale langlebige radioaktive ungerade-gerade Isotope, 87
37Rb
, 115
49In
, 187
75Re
, 151
63Eu
, und 209
83Bi
. Die letzten beiden wurden erst kürzlich als zerfallend entdeckt, mit Halbwertszeiten von mehr als 1018 Jahren.

Nur fünf stabile Nuklide enthalten sowohl eine ungerade Anzahl von Protonen als auch eine ungerade Anzahl von Neutronen. Die ersten vier „ungeraden“ Nuklide kommen in Nukliden mit geringer Masse vor, bei denen der Austausch eines Protons gegen ein Neutron oder umgekehrt zu einem sehr ungeraden Proton-Neutron-Verhältnis führen würde (2
1H
, 6
3Li
, 10
5B
und 14
7N
; Spins 1, 1, 3, 1). Das einzige andere vollständig „stabile“ ungerade Nuklid, 180m
73Ta
(Spin 9), gilt als das seltenste der 252 stabilen Isotope und ist das einzige primordiale Kernisomer, dessen Zerfall trotz experimenteller Versuche noch nicht beobachtet wurde.

Es sind viele ungerade Radionuklide (wie Tantal-180) mit vergleichsweise kurzen Halbwertszeiten bekannt. In der Regel zerfallen sie im Beta-Zerfall in ihre benachbarten geraden Isobaren, die gepaarte Protonen und gepaarte Neutronen haben. Von den neun primordialen ungeraden Nukliden (fünf stabile und vier radioaktive mit langen Halbwertszeiten) ist nur 14
7N
das häufigste Isotop eines gemeinsamen Elements. Dies ist der Fall, weil es ein Teil des CNO-Zyklus ist. Die Nuklide 6
3Li
und 10
5B
sind Minoritätsisotope von Elementen, die selbst im Vergleich zu anderen leichten Elementen selten sind, während die anderen sechs Isotope nur einen winzigen Prozentsatz der natürlichen Häufigkeit ihrer Elemente ausmachen.

Ungerade NeutronenzahlBearbeiten

Actinide mit ungerader Neutronenzahl sind im Allgemeinen spaltbar (mit thermischen Neutronen), während diejenigen mit gerader Neutronenzahl im Allgemeinen nicht spaltbar sind, obwohl sie mit schnellen Neutronen spaltbar sind. Alle beobachtbar stabilen Nuklide mit ungerader Neutronenzahl haben einen ganzzahligen Spin ungleich Null. Das liegt daran, dass das einzelne ungepaarte Neutron und das ungepaarte Proton eine größere Anziehungskraft aufeinander ausüben, wenn ihre Spins ausgerichtet sind (was einen Gesamtspin von mindestens 1 Einheit ergibt), statt antialigniert. Siehe Deuterium für den einfachsten Fall dieses Kernverhaltens.

Nur 195
78Pt
, 9
4Be
und 14
7N
haben eine ungerade Neutronenzahl und sind das natürlich häufigste Isotop ihres Elements.