Grundlegende Eigenschaften von Atomen einschließlich Ordnungszahl und Atommasse. Die Ordnungszahl entspricht der Anzahl an Protonen eines Atoms. Isotope besitzen die gleiche Ordnungszahl, aber unterscheiden sich in der Anzahl an Neutronen.

Einführung

Radioaktivität taucht ziemlich oft in den Nachrichten auf. Du hast darüber vielleicht zum Beispiel in Diskussion über Atomenergie, den Reaktorunfall von Fukishima oder die Entwicklung von Atomwaffen gelesen. Sie kommt auch in der Populärkultur vor: Die Entstehungsgeschichten vieler Superhelden beinhalten zum Beispiel eine Strahlenexposition—oder, im Fall von Spiderman, einen Biss einer radioaktiven Spinne. Aber was genau bedeutet es, wenn etwas radioaktiv ist?
Radioaktivität ist eigentlich eine Eigenschaft eines Atoms. Radioaktive Atome besitzen instabile Atomkerne und setzen irgendwann Elementarteilchen frei, um stabiler zu werden, wobei Energie—Strahlung—abgegeben wird. Häufig kommen Elemente in radioaktiven und nicht radioaktiven Formen vor, die sich in der Anzahl der Neutronen, die sie enthalten, unterscheiden. Diese unterschiedlichen Versionen eines Elements werden Isotope genannt. Kleine Mengen radioaktiver Isotope kommen häufig in der Natur vor. Eine kleine Menge von Kohlenstoff existiert zum Beispiel in der Atmosphäre als radioaktives Kohlenstoff-14 und die Menge an Kohlenstoff-14 in Fossilien ermöglicht Paläontologen, deren Alter zu bestimmen.
In diesem Artikel schauen wir uns genauer die Elementarteilchen an, die verschiedene Atome enthalten, und lernen, was ein Isotop radioaktiv macht.

Ordnungszahl, Atommasse und relative Atommasse

Die Atome jedes Elements enthalten eine charakteristische Anzahl an Protonen. Genaugenommen bestimmt die Anzahl an Protonen, um welches Atom es sich handelt (alle Atome mit sechs Protonen sind beispielsweise Kohlenstoffatome); die Anzahl der Protonen in einem Atom wird Ordnungszahl genannt. Im Gegensatz dazu kann die Anzahl an Neutronen für ein gegebenes Element variieren. Arten des gleichen Atoms, die sich nur in der Anzahl der Neutronen unterscheiden, werden Isotope genannt. Die Anzahl an Protonen und die Anzahl an Neutronen zusammen bestimmen die Massenzahl: Massenzahl = Protonen + Neutronen. Wenn man berechnen will, wie viele Neutronen in einem Atom vorhanden sind, kann man einfach die Anzahl an Protonen, die Ordnungszahl, von der Massenzahl abziehen.
Eine Eigenschaft, die eng mit der Massenzahl eines Atoms in Verbindung steht, ist seine Atommasse. Die Atommasse eines einzelnen Atoms ist einfach seine Gesamtmasse. Sie wird in der Regel in atomaren Masseneinheit oder u ausgedrückt. Definitionsgemäß besitzt ein Kohlenstoffatom mit sechs Neutronen, Kohlenstoff-12, eine Atommasse von 12 u. Andere Atome haben normalweise aus Gründen, die ein wenig über den Rahmen dieses Artikels hinausgehen, keine runden Atommassen. In der Regel ist die Atommasse eines Atoms aber sehr nah an seiner Massenzahl mit Abweichungen in den Nachkommastellen.
Da Isotope eines Elements unterschiedliche Atommassen besitzen, können Wissenschaftler auch die relative Atommasse eines Elements bestimmen—manchmal Atomgewicht genannt. Die relative Atommasse ist ein Durchschnitt der Atommassen aller verschiedenen Isotope in einer Probe, wobei der Beitrag jedes Isotops zum Durchschnitt dadurch festgelegt wird, wie groß sein Anteil in der Probe ist. Die relative Atommasse, die in Einträgen des Periodensystems angegeben wird—wie die unten für Wasserstoff—wird für alle natürlich vorkommenden Isotope eines Elements berechnet, gewichtet nach der Häufigkeit dieser Isotope auf der Erde. Außerirdische Objekte, wie Asteroide oder Meteore, können vollkommen andere Vorkommen der Isotope haben.

Isotope und radioaktiver Zerfall

Wie schon erwähnt, sind Isotope unterschiedliche Formen eines Elements, die die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen haben. Viele Elemente – wie Kohlenstoff, Kalium und Uran – haben viele natürlich vorkommende Isotope. Das neutrale Atom Kohlenstoff-12 besitzt sechs Protonen, sechs Neutronen und sechs Elektronen; daher hat es eine Massenzahl von 12 (sechs Protonen plus sechs Neutronen). Neutrales Kohlenstoff-14 besitzt sechs Protonen, acht Neutronen und sechs Elektronen; seine Massenzahl ist 14 (sechs Protonen plus acht Neutronen). Diese zwei alternativen Formen von Kohlenstoff sind Isotope.
Einige Isotope sind stabil, aber andere können Elementarteilchen abgeben, oder aussenden, um eine stabilere, energieärmere Konfiguration zu erreichen. Solche Isotope werden Radionuklide genannt und der Vorgang, in dem sie Teilchen und Energie freisetzen, wird als Zerfall bezeichnet. Radioaktiver Zerfall kann eine Veränderung der Anzahl an Protonen im Atomkern verursachen; wenn dies passiert, ändert sich die Identität des Atoms (Kohlenstoff-14 zerfällt z. B. zu Stickstoff-14).
Radioaktiver Zerfall ist ein zufälliger, aber exponentieller Vorgang und die Halbwertszeit eines Isotops ist der Zeitraum, in dem die Hälfte des Materials zu einem anderen, relativ stabilen Produkt zerfällt. Das Verhältnis des Ausgangsisotops zu seinem Zerfallsprodukt und zu stabilen Isotopen verändert sich in einer vorhersehbaren Weise; diese Vorhersehbarkeit erlaubt es, das relative Vorkommen eines Isotops als Uhr zu verwenden, die die Zeit von der Aufnahme eines Isotops (z. B. in einem Fossil) bis zur Gegenwart misst.
Zum Beispiel Kohlenstoff ist in der Atmosphäre normalerweise in der Form von Gasen wie Kohlendioxid vorhanden und es existiert in drei isotopischen Formen: Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13, die stabil sind, und Kohlenstoff-14, das radioaktiv ist. Diese Kohlenstoff-Formen finden sich in der Atmosphäre in relativen konstanten Anteilen, mit Kohlenstoff-12 als hauptsächliche Form mit etwa 99 %, Kohlenstoff-13 als seltene Form mit etwa 1 % und Kohlenstoff-14 in nur winzigen Mengen1^1. Da Pflanzen Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen, um Kohlenhydrate herzustellen, ist die relative Menge an Kohlenstoff-14 in ihren Geweben gleich der Konzentration von Kohlenstoff-14 in der Atmosphäre. Da Tiere Pflanzen essen, oder andere Tiere essen, die Pflanzen essen, entspricht die Konzentration von Kohlenstoff-14 in ihren Körpern ebenfalls der Konzentration in der Atmosphäre. Wenn ein Organismus stirbt, hört er auf, Kohlenstoff-14 aufzunehmen. Daher wird das Verhältnis von Kohlenstoff-14 zu Kohlenstoff-12 in seinen Überresten, z. B. in knöchernen Fossilien, zurückgehen, wenn Kohlenstoff-14 allmählich zu Stickstoff-14 zerfällt. 2^2.
Nach einer Halbwertszeit von etwa 5.730 Jahren ist die Hälfte des Kohlenstoff-14, das anfangs vorhanden war, zu Stickstoff-14 umgewandelt. Diese Eigenschaft kann verwendet werden, um früher lebende Objekte wie alte Knochen oder Holz zu datieren. Durch den Vergleich des Verhältnisses der Kohlenstoff-14- und Kohlenstoff-12-Konzentrationen in einem Objekt zum gleichen Verhältnis in der Atmosphäre, die äquivalent zur Ausgangskonzentration in dem Objekt ist, kann der Anteil der noch nicht zerfallenden Isotope bestimmt werden. Auf Grundlage dieses Anteils kann das Alter des Materials mit hoher Genauigkeit berechnet werden, wenn es nicht älter als 50.000 Jahre ist. Andere Elemente besitzen Isotope mit anderen Halbwertszeiten und können daher zur Altersberechnung in anderen zeitlichen Rahmen verwendet werden. Kalium-40 hat zum Beispiel eine Halbwertszeit von 1,25 Milliarden Jahren und Uran-235 hat eine Halbwertszeit von etwa 700 Millionen Jahren und wurde zur Berechnung des Alters von Mondgestein verwendet.2^2.
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