Isotope, atomarer Zerfall, … wofür sind sie gut außer für die Stromerzeugung? Ein kurzer Artikel über ihren praktischen Nutzen in der Forschung.
Die Isotopen-Geochemie nutzt die verschiedenen Zusammensetzungen an Isotopen der einzelnen Elemente, um zum Beispiel das Alter oder die Herkunft eines Untersuchungsobjekts herauszufinden. Die Methode basiert darauf, dass gleiche Elemente verschiedene Massen haben. Aus diesem Grunde verhalten sie sich physikalisch oder biologisch geringfügig unterschiedlich – sie bevorzugen jeweils einen eigenen Weg, der für den Beobachter nachvollziehbar ist.
Was sind Isotope?
Jedes Element wie zum Beispiel Sauerstoff, Eisen oder Wasserstoff besteht aus Atomen mit einer festgelegten Anzahl an Protonen und Elektronen. Sie können jedoch unterschiedlich viele Neutronen haben. Dadurch ergeben sich geringfügige Massenunterschiede zwischen den einzelnen Atomen eines Elements. Das wirkt sich in ebenfalls geringfügig unterschiedlichem physikalischen Verhalten aus.
Am stärksten wirkt sich das bei Wasserstoff aus, da das einfachste Isotop nur aus einem Proton und einem Elektron besteht. Das Molekül Wasser besteht aus zwei Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff: H2O. Das nächst schwerere Wasserstoff-Atom – Deuterium – hat zusätzlich ein Neutron und ist doppelt so schwer. Bildet sich hieraus ein Wassermolekül, setzt es sich zusammen aus einem Atom Wasserstoff, einem Atom Deuterium und einem Atom Sauerstoff (HDO) und ist damit etwa 6% schwerer wie H2O und verhält sich entsprechend etwas anders: H2O hat einen höheren Dampfdruck als HDO und verdunstet leichter. Aus diesem Grund reichert sich HDO in Meerwasser an.
Stabile und Instabile Isotope
Manche der Isotope sind stabil und existieren nebeneinander. Viele der Isotope sind jedoch instabil und zerfallen unter Abgabe radioaktiver Strahlung. Wasserstoff ist auch hier ein gutes Beispiel: Von ihm sind folgende Isotope bekannt: Protium und Deuterium, welche stabil sind und Tritium, welches instabil ist und eine Halbwertszeit von etwa 12,5 Jahren hat. Wasserstoff hat außerdem einige weitere Isotope, deren Zerfallszeit so kurz ist, dass sie als Elemente in der Umwelt keinerlei Bedeutung haben.
Welchen Nutzen haben Isotope für die Forschung?
Es gibt zwei Varianten in der Analytik und der Interpretation ihrer Ergebnisse. Die eine Variante untersucht die Zusammensetzung der Tochterelemente: Ein radioaktives Isotop zerfällt zu einem anderen. Das dabei entstandene Tochterelement kann auch wieder radioaktiv sein und zu einem weiteren Element zerfallen. Auf diese Weise bilden sich charakteristische Zerfallsreihen, deren Zusammensetzung nach Alter und Ausgangsisotop unterschiedlich ist. Die andere Variante untersucht die Zusammensetzung stabiler Isotope eines Elements. In diesem Fall können die Zusammensetzungen aufgrund von unterschiedlichem Verhalten bei Stoffwechselprozessen oder physikalischen Vorgängen verschieden sein.
Untersuchung: Stabile Isotope und Zusammensetzungen
Ein Beispiel für die Nutzbarkeit von Isotopen in der Forschung ist Kohlenstoff (C): Er hat eine große Zahl an Isotopen. Bei der Beobachtung und Interpretation ihrer Zusammensetzung sind in erster Linie die Isotope mit sechs und sieben Neutronen von Bedeutung: 12C und 13C. Das schwerere 13C reichert sich stärker in anorganischen Verbindungen an. Damit ist 13C in geringerem Maße in organischen Verbindungen vertreten. Dies bewirkt, dass Kohlenstoff, welcher als CO2 in der Atmosphäre unterwegs ist, einen anderen 13C-Anteil hat als das Kohlenstoff, der in Landpflanzen gebunden ist oder solcher, der in den Kalkschalen von Meeresmuscheln verbaut wurde. Dadurch ist zum Beispiel die Herkunft eines Untersuchungsobjektes nachvollziehbar. Weitere interessante Elemente mit mehreren stabilen Isotopen sind Schwefel, Sauerstoff und Eisen.
Untersuchung: Instabile Isotope und Zerfallsreihen
Die älteste Zerfallsreihe, die als „geologische Uhr“ verwendet wird, ist Uran, Thorium und Blei. Uran zerfällt über seine natürlichen Zerfallsreihen zu Blei: 206Pb und 207Pb. Thorium zerfällt zu 208Pb. Ihre Halbwertszeiten liegen im Bereich von 0,7 bis 11 Milliarden Jahre und eigenen sich damit zur Datierung von Objekten aus dem frühesten Erdzeitalter. Manche Minerale bauen bei der Kristallisation bestimmte Anteile an Uran und Thorium ein. Da sich beim Zerfall die Menge der verschiedenen Isotope des Urans, des Blei bzw. des Thorium untereinander messbar verändern, ist es möglich, anhand der Mengenverhältnisse das Alter zu bestimmen. Weitere Beispiele für geeignete Elemente mit ihren Zerfallsreihen sind das Kalium-Argon-System, das Rubidium-Strontium-System und das Radiokarbon-System.