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Lexikon der Astronomie: Isotop

Ein Atom besteht aus einer Atomhülle und einem Atomkern. In der Atomhülle befinden sich elektrisch negativ geladene Elektronen, die zur Familie der Leptonen gehören. Im Atomkern gibt es elektrisch positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen; beide Teilchensorten werden als Nukleonen (Kernteilchen) zusammengefasst.
Die Atome können zu unterschiedlichen chemischen Elementen gehören, die alle im Periodensystem der Elemente (PSE) aufgelistet sind. In der Kernphysik charakterisiert man eindeutig den Atomkern, der ja nur aus Nukleonen besteht, durch die Angabe der Protonenanzahl und der Neutronenzahl. Um sofort die Elementinformation zu haben, geben die Kernphysiker folgende Zahlen an:

  • Protonenanzahl oder Kernladungszahl Z,
  • Atommasse A,
  • und Elementsymbol X.

Diese drei Angaben werden in der Form AZX notiert; da eigentlich eine Zahl überflüssig ist, liest man auch häufig nur X-A.

Zur Atommasse

Die Atommasse A ergibt sich gerade als Summe der Protonenzahl und Neutronenzahl. Sie wird in atomaren Masseneinheiten u angegeben. Eine atomare Masseneinheit ist definiert als der zwölfte Teil der Masse eines Kohlenstoffatoms mit der Bezeichnung C-12. Möchte man die Atommasse in die Si-Einheit Kilogramm oder in die Energieeinheit Elektronenvolt umrechnen, so gilt:

1 u = 1.6605402 × 10-27 kg ~ 931.4943 MeV

Beispiele

Nehmen wir an, es handelt sich um Kohlenstoff, der sechs Protonen und sechs Neutronen, also 12 Nukleonen hat. Die erste Schreibweise ist 126C und die zweite C-12. Ein Beispiel eines besonders schweren Elements ist Uran mit 92 Protonen und 146 Neutronen, also 238 Nukleonen. Hier schreibt man 23892U bzw. U-238.

Was sind nun Isotope?

Das Isotop eines Elements hat nun die gleiche Anzahl an Protonen im Atomkern (also die gleiche Kernladungszahl Z) wie das betreffende Element, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen (also eine andere Atommasse A).
Bezogen auf das obige Beispiel Kohlenstoff gibt es beispielsweise die Kohlenstoffisotope C-12 und C-14. C-14 hat zwei Neutronen mehr im Atomkern als C-12 und ist entsprechend schwerer, hat also eine größere Atommasse A. Bei Wasserstoff, Elementsymbol H, gibt es drei Isotope: einfacher Wasserstoff H-1 mit nur einem Proton, schwerer Wasserstoff H-2 mit einem Proton plus einem Neutron (Deuterium) und überschwerer Wasserstoff H-3 mit einem Proton und zwei Neutronen (Tritium).

Etymologie

Das Wort Isotop kommt aus dem Griechischen und bedeutet iso: 'gleich' und topos: 'Ort' – gemeint ist der gleiche Ort im Periodensystem der Elemente, denn Isotope verhalten sich chemisch gleich, weil sie alle dieselbe Protonenzahl haben. Sie unterscheiden sich nur in ihrem Gewicht und ihrem kernphysikalischen Verhalten.

Isotope in der Astrophysik

Die genaue Kenntnis des Isotops ist natürlich wichtig in der Kernphysik. Ein einfaches Beispiel ist die Bilanz in der Radioaktivität, wie α-Zerfall, β-Zerfall und γ-Zerfall.
In der Astronomie spielen Isotope eine wichtige Rolle in der Stellarphysik, nämlich bei der thermonuklearen Fusion im Innern von Sternen (stellare Nukleosynthese), in den Winden von Roten Riesen bzw. AGB-Sternen und bei kernphysikalischen Prozessen in Sternexplosionen wie den Supernovae. In der Kosmologie gab es eine frühe Epoche der kernphysikalischen Elementherstellung in der primordialen Nukleosynthese.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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