Wasserstoff kommt als superschweres Tritium vor, das selten und instabil ist. Viele Menschen bringen Tritium mit einer radioaktiven Bedrohung in Verbindung.
Das einfachste Element und zugleich das einfachste Isotop ist der normale Wasserstoff. Der Kern besteht nur aus einem einzigen Proton und kommt zu 99,986 % im natürlich vorhandenen Wasserstoff vor. In der Natur existieren aber noch zwei weitere, schwerere Wasserstoffisotope, das Deuterium, dessen Kern ein Neutron und ein Proton enthält sowie das instabile Tritium mit zwei Neutronen im Atomkern.
Tritium gehört zur natürlichen Radioaktivität auf der Erde
Tritium hat einen negativen Beigeschmack, eine Bedrohlichkeit wird mit ihm verbunden, denn von Tritium ist meist nur im Zusammenhang mit Kernwaffenversuchen und Atombomben die Rede. Dabei gehört Tritium zum natürlichen radioaktiven Inventar der Erde; in geringen Dosen hat es schon immer auf das Leben eingewirkt. Das superschwere Wasserstoffisotop entsteht nämlich beim Aufprall eines durch die kosmische Höhenstrahlung entstandenen Neutrons auf einen Stickstoff- oder Sauerstoffkern. Auf der Erde hat sich zwischen Erzeugung und Zerfall schon vor Urzeiten ein Gleichgewicht gebildet, sodass ein konstantes Inventar von etwa 10 kg Tritium vorhanden ist.
Alte Weine bestimmen die Halbwertszeit von Tritium
Auch die Entdeckungsgeschichte des Tritium enthält Besonderheiten und Anekdoten. Schon Ernest Rutherford, der Entdecker des Atomkerns, versuchte in den 1930er-Jahren Tritium und He-3, ein leichtes Heliumisotop, herzustellen. Der Nachweis gelang ihm aber nicht, da er (fälschlicherweise) annahm, das leichte Heliumisotop sei radioaktiv und Tritium stabil. Der eigentliche Durchbruch gelang erst Luis Walter Alvarez. Er vermutete auch, dass Tritium in der Atmosphäre entsteht, und wiederholte die Beschleunigerversuche von Rutherford. Gleichzeitig begann die Suche nach dem natürlichen Tritium. Willard Libby, der Vater der Radiocarbondatierung, untersuchte Proben schweren Wassers. Die Halbwertszeit des Tritium bestimmte Libby mit seinen berühmten Weinversuchen. Er besorgte sich alten französischen Wein verschiedener Jahrgänge und stellt fest, dass 21 Jahre alter Wein etwa ein Drittel der Aktivität des neuen Weines aus derselben Weinkellerei aufwies. Hieraus ergab sich eine Halbwertszeit von etwa 10 Jahren. Ob der Wein nach den Versuchen verkostet wurde, ist leider nicht bekannt. Es ist jedoch anzunehmen, dass er nicht einfach weg geschüttet wurde, denn auch Physiker sind zuweilen ja Genussmenschen.
Die relativ geringe Halbwertszeit ist übrigens der Grund, warum das durch überirdische Kernwaffentests in den 1950er Jahren entstandene (künstliche) Tritium heute fast vollständig verschwunden ist. Unerwünscht entsteht Tritium heute in Kernreaktoren als Neutroneneinfang an Deuterium und als Nebenprodukt bei der Kernspaltung selbst.
Tritiertes Wasser- ein wichtiger Radionuklid-Marker
Ein großer Teil des natürlichen Tritiums auf der Erde liegt als HTO, so genanntes tritiertes Wasser, vor, bei dem ein normales Wasserstoffatom durch ein Tritiumatom ersetzt ist. Tritium ist daher ein hervorragender, nicht zu langlebiger Marker (Englisch „tracer“) in vielen Gebieten der Chemie, Biochemie, Biologie und Medizin. Mit dem Begriff „Marker“ ist ein Radionuklid gemeint, mit dem die zu untersuchende Substanz gemischt oder an diese gebunden wird, um anschließend die Verteilung oder Reaktion dieser Substanz zu verfolgen. Der Nachweis erfolgt über die radioaktive Strahlung des Markernuklids. Als Anwendungen seien chemische Reaktionen, Stoffwechselvorgänge, Nährstoffaufnahme sowie medizinische Diagnostik genannt.
Auch bei der Untersuchung von Wasserkreisläufen, einem Teilgebiet der Hydrogeologie, ist das Tritium ein wichtiges Isotop geworden. Mit ihm lassen sich sowohl atmosphärische Strömungen als auch Oberflächenwasser, Gletscher und Brunnenwasser untersuchen. Kennt man den Tritiumgehalt des Niederschlags in einer Region, so kann unter Berücksichtigung der Halbwertszeit Wasser aus dem Untergrund bis zu einem Alter von ungefähr 100 Jahren datiert werden. Dies ist vor allem für die Wasserneubildungsrate in einigen Gegenden Deutschlands wichtig.
Am Tritiumgehalt lassen sich auch die Verläufe unterirdischer Wasseradern bestimmen und Daten für den Verbleib des Oberflächenwassers gewinnen. Tief liegende und daher alte Wasservorkommen wie Mineral- und Heilwasserquellen lassen sich wegen der kurzen Halbwertszeit des Tritium allerdings nach dieser Methode nicht datieren; hier bieten sich andere Nuklide wie Chlor-14 oder Argon-39 mit Halbwertszeiten von mehr als 100 Jahren an. Die Bestimmung des Gehalts an mehreren Radionukliden erlaubt bei guter Kenntnis des Ausgangsmaterials auch eine Herkunftsbestimmung. Nicht jedes „Heilwasser“ kommt nämlich aus tiefen Brunnen.