Im Periodensystem der Elemente findet man heute 111 Elemente. Davon kommen 91 in der Natur vor, die übrigen werden künstlich hergestellt. Ein bestimmter Atomkern eines Elements ist eindeutig durch die Massenzahl (Anzahl von Protonen Z und Neutronen N) und die Kernladungszahl (Ordnungszahl im Periodensystem, Anzahl von Protonen und von Elektronen im neutralen Atom) gekennzeichnet.
Ein Atomkern, der eindeutig durch Massenzahl und Kernladungszahl charakterisiert ist, wird als Nuklid bezeichnet.
Der Begriff wurde 1950 international eingeführt, um einerseits Kernarten eindeutig zu kennzeichnen und andererseits dem unkorrekten Gebrauch des Wortes Isotop entgegenzuwirken. Ein Beispiel für ein Nuklid ist Natrium-23, in Symbolschreibweise 1123Na.
Die Kernladungszahl, also die Anzahl der Protonen, beträgt 11. Die Massenzahl, also die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern, beträgt 23. Damit ergibt sich eine Neutronenzahl von 23 - 11 = 12. Weitere Nuklide sind beispielsweise 92235U, 1532P oder 612C. Solche Nuklide sind natürlich auch 92234U, 92235U oder 92238U. Es sind Nuklide eines Elements.
Bei Nukliden kann man zwischen stabilen Nukliden und radioaktiven Nukliden, auch Radionuklide genannt, unterscheiden. Radioaktive Nuklide zerfallen unter Aussendung radioaktiver Strahlung. Bekannt sind heute insgesamt etwa 300 stabile und über 2.400 radioaktive und damit instabile Nuklide mit sehr unterschiedlichen Halbwertszeiten.
Die meisten Elemente bestehen aus einem Isotopengemisch, wobei die Anteile der einzelnen Isotope sehr unterschiedlich sein können.
Chlor besitzt zwei Isotope, Chlor-35 mit 75,5 % Anteil und Chlor-37 mit 24,5 % Anteil. Kupfer hat ebenfalls zwei stabile Isotope, Kupfer-63 (69,1 %) und Kupfer-65 (30,9 %).
Die meisten stabilen Isotope hat Zinn (10). Die meisten Isotope einschließlich der radioaktiven sind allerdings beim Xenon bekannt (mindestens 24).
Außer in der Neutronenzahl und damit in ihrer Masse unterscheiden sich die Isotope eines Elements und deren Verbindungen bei den leichten Elementen gering in den physikalischen Eigenschaften und im chemischen Verhalten.
So enthält der Sauerstoff 99,76 % des Isotops 16O und 0,2 % des Isotops 18O. Wasser der Zusammensetzung 2H16O siedet bei 100,0 °C, aber Wasser mit dem schwereren Sauerstoffisotop 2H18O erst bei 101,5 °C.
Analytisch kann man Isotope mithilfe eines Massenspektrometers trennen. Im technischen Maßstab ist eine Trennung gasförmiger Verbindungen eines Elements mit Zentrifugen möglich.
Dieses Prinzip wird auch bei der Herstellung von Uran-Kernbrennstoff genutzt.
In der Natur vorkommendes Uran hat drei Isotope, Uran-238 (99,28 %), Uran-235 (0,72 %) und Uran-234 (0,006 %). Für die Kernspaltung ist aber nur Uran-235 geeignet und der natürliche Gehalt reicht für die Aufrechterhaltung der Kernspaltung nicht aus. In den Brennelementen der Kernkraftwerke ist daher der Anteil an Uran-235 auf etwa 3 % angereichert.
Stabile und radioaktive Isotope
Man kann zwischen stabilen Isotopen und radioaktiven Isotopen, auch Radioisotope oder Radionuklide genannt, unterscheiden. Radioaktive Isotope zerfallen unter Aussendung radioaktiver Strahlung. Bekannt sind heute etwa 300 stabile und über 2 400 radioaktive und damit instabile Isotope.
Alle chemischen Elemente oberhalb der Ordnungszahl Z = 83 sind von Natur aus radioaktiv (natürliche Radioaktivität). Der Zerfall von z. B. dem Uranisotop 92238U ist der Beginn einer Zerfallsreihe, die mit dem stabilen Bleiisotop 82206Pb endet.
Künstlich radioaktive Isotope eines Elements entstehen z. B. beim Beschuss von stabilen Isotopen des Elements mit Neutronen.
1531P+01n→1532P
Infolge eines zu ungünstigen Protonen-Neutronen-Verhältnisses ist dieser Kern nicht stabil; durch Emission von β--Strahlung entsteht daraus ein stabiles Schwefelisotop.
Isotope,
zu einem Element geh�rende Atome gleicher Ordnungszahl, die sich aber in ihren Massenzahlen voneinander unterscheiden. Isotope nehmen im Periodensystem der Elemente ein und denselben Platz ein. Die Ordnungszahl entspricht definitionsgem�� der Anzahl der Protonen im Kern, w�hrend die Massenzahl sich aus der Summe von Protonen und Neutronen im Kern zusammensetzt. Dies l�sst die Schlussfolgerung zu, dass Isotope ein und desselben Elements nur eine verschiedene Anzahl von Neutronen in ihren Kernen haben. In der Natur kommen sowohl stabile als auch instabile Isotope vor. Die instabilen Isotope werden auch als Radionuklide oder Radioisotope bezeichnet. Sie zerfallen in einem spontan ablaufenden Prozess zu stabilen Isotopen. Dies geschieht h�ufig �ber radioaktive Zwischenstufen, wobei in diesem Zusammenhang die so genannten Halbwertszeiten von wichtiger Bedeutung sind (siehe Radioaktivit�t: Radioaktive Zerfallsreihen). Die meisten Radioisotope sind allerdings nur auf k�nstlichem Wege zug�nglich.
Isotope zeigen im Allgemeinen ein �hnliches chemisches Verhalten. Geringe Unterschiede hat man nur bei den Isotopen der leichten Elemente feststellen k�nnen. Im Gegensatz dazu lassen sich Isotope anhand bestimmter physikalischer Eigenschaften unterscheiden. Neben der Masse handelt es sich hierbei um den so genannten Kernspin (Gesamtdrehimpuls; siehe Spin), das magnetische Drehmoment und das Volumen des Isotopenkerns.
Forschung
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigten Experimente, dass sich radioaktive Substanzen nur in der Struktur ihrer Kerne unterscheiden. Sie lassen sich nicht auf chemische Weise trennen. Der britische Physiker Sir Joseph Thomson bewies im Jahr 1912 die Existenz stabiler Isotope. Er leitete das Edelgas Neon durch eine Gasentladungsr�hre (siehe elektrische Beleuchtung: Weitere Lampentypen) und lenkte die Neonionen mit Hilfe von magnetischen und elektrischen Feldern ab. Auf diese Weise fand er zwei Neonisotope, das eine mit der Massenzahl 20 und das andere mit 22, und konnte somit zeigen, dass das stabile Element Neon in mehr als nur einer Form vorliegen kann. Nat�rlich vorkommendes Neon setzt sich zu 90 Prozent aus Neon 20, zu 9,73 Prozent aus Neon 22 und zu 0,27 Prozent aus Neon 21 zusammen. Die Isotopenforschung wurde von vielen Wissenschaftlern weitergef�hrt, besonders erw�hnt sei an dieser Stelle der britische Physiker Francis William Aston. Mit der Entwicklung des Massenspektrometers erlangte die Forschung zum Nachweis und zur Untersuchung der Isotope neuen Auftrieb. Mit diesen Messger�ten war es m�glich, Isotope anhand ihrer unterschiedlichen Massen voneinander zu trennen und einzeln nachzuweisen.
Heutzutage ist bekannt, dass die Mehrzahl der Elemente in ihrem nat�rlichen Zustand aus einem Gemisch von zwei oder mehreren Isotopen bestehen. Ausnahmen sind Beryllium, Aluminium, Phosphor und Natrium. Die in Tabellen angegebene relative Atommasse eines Elements ist das gewichtete Mittel aus den relativen Atommassen (oder Massenzahlen) der einzelnen Isotope. Beispielsweise besteht Chlor (relative Atommasse 35,457) aus Chlor 35 und Chlor 37, wobei das erstgenannte Isotop mit einer H�ufigkeit von 76 Prozent und das letztgenannte mit 24 Prozent auftritt. Alle Isotope der Elemente mit einer Ordnungszahl �ber 83 (nach Bismut im Periodensystem) sind radioaktiv, ebenso einige von den leichteren Isotopen, z. B. Kalium 40. Zu Beginn der neunziger Jahre kannte man 334 nat�rlich vorkommende Isotope (262 stabile und 72 radioaktive Isotope). Die Zahl der k�nstlichen Isotope liegt weitaus h�her (1996 nahezu 1 500).
Die ersten k�nstlichen radioaktiven Isotope (auch Radioisotope) wurden 1933 von den franz�sischen Physikern Ir�ne und Fr�d�ric Joliot-Curie dargestellt. Dabei handelte es sich um Radioisotope des Phosphors und des Stickstoffs.
Trennung
Verschiedene Isotope eines Elements lassen sich nur schwer voneinander trennen. Es ist nicht m�glich, eine vollst�ndige Trennung mit chemischen Methoden in einem Schritt durchzuf�hren, da Isotope eines Elements die gleichen chemischen Eigenschaften aufweisen. Physikalische Methoden beruhen dagegen im Allgemeinen auf �u�erst kleinen Unterschieden in den physikalischen Eigenschaften. Bei der Isotopentrennung nutzt man in erster Linie die geringen Massedifferenzen aus. Im Gegensatz dazu h�ngen die elektrolytische Trennung und verschiedene Austauschverfahren zur Isotopentrennung von der Reaktionsgeschwindigkeit bzw. von den Unterschieden im chemischen Gleichgewicht ab. Letztere basieren haupts�chlich auf Energiedifferenzen in den chemischen Bindungen und h�ngen von der Isotopenmasse ab. Die Wasserstoffisotope Deuterium (Wasserstoff 2) und gew�hnlicher Wasserstoff (Wasserstoff 1) waren die ersten Isotope, die in nennenswerten Mengen getrennt wurden. In diesem Zusammenhang hat sich der amerikanische Chemiker Harold Urey verdient gemacht. Urey entdeckte bei seinen Forschungen im Jahr 1932 das Deuterium.
Vor 1940 dienten die meisten Methoden zur Trennung kleiner Mengen von Isotopen haupts�chlich zu Forschungszwecken. Zu den erfolgversprechendsten geh�rten die Zentrifugation, die fraktionierte Destillation, die Thermodiffusion, die Elektrolyse, die Gasdiffusion und die elektromagnetische Trennung. Am wirkungsvollsten verl�uft die Trennung nat�rlich bei den Wasserstoffisotopen. Hier betr�gt die Massendifferenz zwischen den zwei Isotopen 100 Prozent. Im Vergleich dazu differieren die Massen der Kohlenstoffisotope Kohlenstoff 12 und Kohlenstoff 13 und auch die Neonisotope Neon 20 und Neon 22 nur um circa zehn Prozent. Bei den Uranisotopen Uran 235 und Uran 238 sind es sogar nur etwas mehr als ein Prozent. Dieser Faktor von 10 zu 1 bzw. 100 zu 1 erschwert nat�rlich die Trennung um den Faktor 10 beziehungsweise 100. Au�er bei der elektromagnetischen Methode gelingt die Isotopentrennung nur in mehreren Stufen. Die elektromagnetische Methode ist das einzige Einstufenverfahren. Das Nettoergebnis jeder einzelnen Stufe besteht in der Trennung des Ausgangsmaterials in zwei Fraktionen, wobei der prozentuale Anteil des schwereren Isotops in einer der beiden Fraktionen etwas h�her liegt als im Ausgangsgemisch. Die andere Fraktion enth�lt etwas mehr vom leichteren Isotop.
Um das gew�nschte Isotop in nennenswerter Konzentration zu erhalten bzw. in der entsprechenden Mischung anzureichern, sind weitere Verfahrensschritte notwendig. Man bedient sich dazu einer so genannten Kaskade, d. h. einer technischen Apparatur, die eine gro�e Anzahl von nacheinander geschalteten Verfahrensstufen erm�glicht. Die angereicherte Fraktion jeder einzelnen Stufe wird dabei als Ausgangsmaterial f�r die n�chst folgende Stufe eingesetzt. Der verbleibende Rest wird mit der vorhergehenden Fraktion vermischt, denn hier sind zum Teil noch betr�chtliche Anteile des gew�nschten Isotops enthalten. Wenn das Ausgangsmaterial (wie beim Uran) knapp ist, wird sogar der Rest aus der Anfangsstufe einer Trennung in zus�tzlichen Stufen unterworfen. Um den Stofffluss von Verfahrensschritt zu Verfahrensschritt automatisch und kontinuierlich ablaufen zu lassen, hat man dazu effiziente Kaskadensysteme entwickelt.
Eine solche Kaskade ist sehr flexibel. Die Einheiten mit den Fraktionen k�nnen nach Wunsch von einer Trennstufe zur anderen verschoben werden. Bei der Trennung von Uran beispielsweise muss man anfangs mit Unmengen an Material umgehen, da das gew�nschte Uran 235 etwa 140mal soviel Uran 238 enth�lt. Am Ende des Prozesses liegt Uran 235 dann in fast reiner Form vor, der Materialumfang ist entsprechend kleiner. Au�erdem lassen sich durch �nderungen im Rohrleitungssystem die Stufen verschieben. Dadurch l�sst sich der Zuwachs an Material auf einer mittleren Stufe ausgleichen.
Zentrifuge und Destillation
Eine Zentrifuge zur Trennung von Isotopen ist im Innern so aufgebaut, dass der abw�rts str�mende Dampf in den �u�eren Teil des rotierenden Zylinders, der aufw�rts str�mende Dampf dagegen in den zentralen Bereich des Zylinders gelangt. Beim Zentrifugieren reichert sich dann das schwerere Isotop im �u�eren Bereich an. Bei der fraktionierten Destillation setzt man ein Gemisch der verschiedenen Isotope ein. Die Molek�le mit dem niedrigeren Siedepunkt (die leichteren Isotope) reichern sich im Dampfstrom an und werden gesammelt.
Thermodiffusion
Diese Methode nutzt das Bestreben leichterer Molek�le einer Fl�ssigkeit oder eines Gases, sich in der hei�en Region anzureichern, w�hrend sich schwerere Molek�le verst�rkt in einer kalten Region aufhalten. Eine einfache Form einer Thermodiffusionsapparatur besteht aus einem hohen senkrechten Rohr mit einem Draht. Dieser l�uft entlang der Mitte des Rohres und wird elektrisch auf etwa 500 �C erhitzt. Damit entsteht ein Temperaturgef�lle zwischen der Mitte und der Wand des Rohres. Die schwereren Isotope reichern sich mehr im �u�eren Teil des Rohres an, die leichteren mehr in der Mitte. Gleichzeitig bewirkt die W�rmekonvektion folgendes: Das Gas oder die Fl�ssigkeit in der N�he des Drahtes steigt nach oben. Im Gegensatz dazu sinkt das k�hlere Gas oder die k�hlere Fl�ssigkeit im �u�eren Bereich nach unten. Im Endeffekt sammeln sich dadurch die schwereren Isotope auf dem Boden des Rohres an, w�hrend die leichteren sich im oberen Teil des Rohres anh�ufen.
Elektrolyse
Die elektrolytische Trennung ist sowohl in historischer als auch heutiger Hinsicht von Interesse. Sie war die erste angewandte Methode, um Deuteriumoxid praktisch in reiner Form vom Wasser abzutrennen. Bei der Elektrolyse von Wasser entsteht zuerst das leichtere Wasserstoffisotop. Im zur�ckbleibenden Rest reichert sich das schwerere Isotop in Form von Deuteriumoxid an.
Gasdiffusion
Die Gasdiffusion wurde zusammen mit der elektromagnetischen Methode zur Trennung der Uranisotope eingesetzt (siehe Diffusion). Ihre Effizienz blieb bisher unerreicht. 1940 gelang zum ersten Mal die Spaltung von Uran 235 mit Neutronen. Kurz darauf erkannte man die M�glichkeit der milit�rischen Nutzung. Uran 235 findet man in nat�rlich vorkommendem Uran zu einem Anteil von sieben Teilen in 1 000 Teilen Uran 238. Um �ber gr��ere Mengen waffenf�higes Uran 235 zu verf�gen, musste man Trennverfahren entwickeln. Im Rahmen des Atombombenprojekts wurden die verschiedenen Methoden zur Isotopentrennung untersucht. Die Gasdiffusion und die elektromagnetische Methode wurden dann gro�technisch betrieben. Damit lie� sich pro Tag circa ein Kilogramm Uran 235 f�r den Einsatz in Atomwaffen herstellen.
Bei der Gasdiffusionsmethode macht man es sich zunutze, dass Gase mit verschiedenen relativen Molek�lmassen unterschiedlich schnell diffundieren. Die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gases verh�lt sich umgekehrt proportional zur Quadratwurzel aus der Masse. Dementsprechend diffundieren leichte Atome schneller als schwere durch ein por�ses Hindernis. Bei der Trennung der Uranisotope wird die einzige gasf�rmige Uranverbindung, Uran(VI)-fluorid (UF6), kontinuierlich durch por�se Membranen gepumpt. Der Massenunterschied zwischen Uran 235 und Uran 238 betr�gt etwas �ber ein Prozent, die Massendifferenz bei den Fluoriden ist allerdings noch etwas kleiner als ein Prozent. Der Anreicherungsfaktor, der von der Wurzel aus der oben angegebenen Differenz abh�ngt, betr�gt theoretisch 0,43 Prozent f�r ein Momentanverfahren. Bei kontinuierlicher Verfahrensweise liegt der Wert um 0,30 Prozent. In der Praxis erreicht man allerdings nur einen Anreicherungsfaktor von circa 0,14 Prozent pro Stufe. Man ben�tigt also 4 000 Stufen, um aus nat�rlichem Uran gut 99 Prozent Uran 235 herzustellen. Das Verfahren erfordert Tausende Kilometer Rohrleitung, Tausende Pumpen und Motoren und komplizierte Kontrollmechanismen.
Elektromagnetismus
Obwohl die Gasdiffusionsmethode beachtliche Mengen an Uran 235 liefert, wurden vergleichbare Mengen des Isotops durch die Anwendung elektromagnetischer Mittel in Oak Ridge (Tennessee) erzeugt. Man baute eine Reihe Trenneinheiten, in denen der aus einer Uranverbindung stammende Ionenstrom durch ein magnetisches Feld geleitet wurde. Da der Kr�mmungsradius der abgelenkten Ionenbahn von der Masse des Ions abh�ngt, kommen Ionen verschiedener Masse an unterschiedlichen Stellen des Detektors an. Die Uranisotope werden merklich getrennt. Allerdings ist in einem Arbeitsschritt immer nur eine geringe Materialmenge einsetzbar.
Laserstrahl
Die Idee, Trennung und Anreicherung von Isotopen mit Hilfe von Lasern durchzuf�hren, entstand bald nach der Erfindung des Lasers im Jahr 1960. Bis zur Entwicklung eines durchstimmbaren Farbstofflasers, der Photonenstrahlen in einem w�hlbaren schmalen Bereich von infraroten bis zu ultravioletten Wellenl�ngen liefert, dauerte es weitere arbeitsreiche sechs Jahre. Nach diesem Konzept wird ein Element zuerst verdampft. Danach k�nnen dessen Atome mit einem genau abgestimmten Laserstrahl selektiv angeregt und ionisiert werden, so dass das gew�nschte Isotop abgetrennt werden kann. Die Isotope k�nnen aber auch in molekularer Form separiert werden, indem man die Molek�le, die das gew�nschte Isotop enthalten, mit dem Laserstrahl ionisiert. An der Entwicklung derartiger Verfahren arbeitet man seit 1972, besonders hinsichtlich der Anreicherung von Uran und Plutonium f�r Kernkraftwerke bzw. Kernwaffen. Die Methode ist zwar kostenaufwendig und technisch schwer zu beherrschen, zur Erzeugung hochangereicherten Materials werden daf�r aber nur wenige Stufen ben�tigt.
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