Atome sind die "Bausteine der Materie". Alles, was Masse hat und Raum einnimmt (indem es Volumen hat), besteht aus diesen winzigen kleinen Einheiten. Das gilt für die Luft, die Sie atmen, das Wasser, das Sie trinken, und Ihren Körper selbst.
Isotope sind ein wichtiges Konzept bei der Untersuchung von Atomen. Chemiker, Physiker und Geologen nutzen sie, um unsere Welt zu verstehen. Aber bevor wir erklären können, was Isotope sind - oder warum sie so wichtig sind - müssen wir einen Schritt zurücktreten und die Atome als Ganzes betrachten.
Unsere Atomwelt
Wie Sie wahrscheinlich wissen, haben Atome drei Hauptkomponenten - zwei davon befinden sich im Kern. Der Kern befindet sich im Zentrum des Atoms und ist ein dicht gepackter Partikelcluster. Einige dieser Teilchen sind Protonen, die positive elektrische Ladungen aufweisen.
Es ist gut dokumentiert, dass sich entgegengesetzte Gebühren anziehen. Inzwischen neigen ähnlich geladene Körper dazu, sich gegenseitig abzustoßen. Hier ist also eine Frage: Wie können zwei oder mehr Protonen - mit ihren positiven Ladungen - im selben Kern koexistieren? Sollten sie sich nicht gegenseitig wegschieben?
Hier kommen die Neutronen ins Spiel. Neutronen sind subatomare Teilchen , die Kerne mit Protonen teilen. Neutronen besitzen jedoch keine elektrische Ladung. Neutronen sind ihrem Namen nach neutral und weder positiv noch negativ geladen. Es ist ein wichtiges Attribut. Neutronen können aufgrund ihrer Neutralität Protonen daran hindern, sich gegenseitig aus dem Kern zu vertreiben.
"Grundlegend mein lieber Watson"
Um den Kern kreisen die Elektronen, ultraleichte Teilchen mit negativen Ladungen. Elektronen erleichtern die chemische Bindung - und ihre Bewegungen können ein kleines Ding namens Elektrizität erzeugen . Protonen sind nicht weniger wichtig. Zum einen helfen sie Wissenschaftlern, die Elemente auseinander zu halten.
Möglicherweise haben Sie bemerkt, dass in den meisten Versionen des Periodensystems auf jedem Quadrat in der oberen rechten Ecke eine kleine Zahl aufgedruckt ist. Diese Zahl ist als Ordnungszahl bekannt. Es sagt dem Leser, wie viele Protonen sich im Atomkern eines bestimmten Elements befinden. Zum Beispiel ist die Ordnungszahl von Sauerstoff acht. Jedes Sauerstoffatom im Universum hat einen Kern mit genau acht Protonen; nicht mehr und nicht weniger.
Ohne diese sehr spezifische Anordnung der Partikel wäre Sauerstoff kein Sauerstoff. Die Ordnungszahl jedes Elements - einschließlich der Sauerstoffzahl - ist absolut einzigartig. Und es ist ein bestimmendes Merkmal. Kein anderes Element hat acht Protonen pro Kern. Durch Zählen der Protonen können Sie ein Atom identifizieren. So wie Sauerstoffatome immer acht Protonen haben, kommen Stickstoffatome immer mit sieben. So einfach ist das.
Neutronen folgen nicht. Der Kern in einem Sauerstoffatom enthält garantiert acht Protonen (wie wir festgestellt haben). Es kann jedoch auch vier bis 20 Neutronen enthalten . Isotope sind Varianten desselben chemischen Elements mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen.
Nun wird jedes Isotop anhand seiner Massenzahl benannt, die die Gesamtzahl der Neutronen und Protonen in einem Atom darstellt. Beispielsweise heißt eines der bekannteren Sauerstoffisotope Sauerstoff-18 (O-18). Es hat die Standard acht Protonen plus 10 Neutronen.
Ergo ist die Massenzahl von O-18 - Sie haben es erraten - 18. Ein verwandtes Isotop, Sauerstoff-17 (O-17), hat ein Neutron weniger im Kern.
Sich instabil fühlen
Einige Kombinationen sind stärker als andere. Wissenschaftler klassifizieren O-17 und O-18 als stabile Isotope. In einem stabilen Isotop halten sich die von den Protonen und Neutronen ausgeübten Kräfte zusammen und halten den Kern dauerhaft intakt.
Auf der anderen Seite sind die Kerne in radioaktiven Isotopen, auch " Radioisotope " genannt, instabil und zerfallen mit der Zeit. Diese Dinge haben ein Protonen-Neutronen-Verhältnis, das auf lange Sicht grundsätzlich nicht nachhaltig ist. Niemand will in dieser Notlage bleiben. Daher werden radioaktive Isotope vergießen bestimmten subatomaren Teilchen (und Freisetzung von Energie) , bis sie sich in schön umgewandelt haben, stabile Isotope.
O-18 ist stabil, Sauerstoff-19 (O-19) jedoch nicht. Letzteres wird unweigerlich zusammenbrechen - schnell! Innerhalb von 26,88 Sekunden nach seiner Entstehung verliert eine Probe von O-19 garantiert die Hälfte ihrer Atome durch die Verwüstungen des Zerfalls.
Das bedeutet, dass O-19 eine Halbwertszeit von 26,88 Sekunden hat. Eine Halbwertszeit ist die Zeit , die 50 Prozent einer Isotopenprobe zum Zerfall benötigen. Denken Sie an dieses Konzept. Wir werden es im nächsten Abschnitt mit der Paläontologie verbinden.
Aber bevor wir über fossile Wissenschaft sprechen, muss noch ein wichtiger Punkt angesprochen werden. Im Gegensatz zu Sauerstoff haben einige Elemente überhaupt keine stabilen Isotope . Betrachten Sie Uran. In der natürlichen Welt gibt es drei Isotope dieses Schwermetalls, und sie sind alle radioaktiv , wobei sich die Atomkerne in einem konstanten Zerfallszustand befinden. Schließlich wird ein Stück Uran zu einem ganz anderen Element.
Versuchen Sie nicht, den Übergang in Echtzeit zu verfolgen. Der Prozess verläuft sehr, sehr langsam.
Termine bekommen (und gesund bleiben)
Uran-238 (U-238), das häufigste Isotop des Elements, hat eine Halbwertszeit von etwa 4,5 Milliarden Jahren ! Allmählich wird es zu Blei-206 (Pb-206), das stabil ist. Ebenso geht Uran-235 (U-235) mit seiner Halbwertszeit von 704 Millionen Jahren in Blei-207 (Pb-207) über, ein weiteres stabiles Isotop.
Für Geologen sind dies wirklich nützliche Informationen. Angenommen, jemand findet eine Gesteinsplatte, deren Zirkonkristalle eine Mischung aus U-235 und Pb-207 enthalten. Das Verhältnis dieser beiden Atome kann Wissenschaftlern helfen, das Alter des Gesteins zu bestimmen.
So geht's: Nehmen wir an, die Bleiatome sind ihren Uran-Gegenstücken weit überlegen . In diesem Fall wissen Sie, dass Sie einen ziemlich alten Stein betrachten. Immerhin hatten die Urane genügend Zeit, sich in Blei umzuwandeln. Wenn andererseits das Gegenteil der Fall ist - und die Uranatome häufiger vorkommen -, muss sich das Gestein auf der jüngeren Seite befinden.
Die Technik, die wir gerade beschrieben haben, heißt radiometrische Datierung . Dies ist der Vorgang, bei dem die gut dokumentierten Zerfallsraten instabiler Isotope verwendet werden, um das Alter von Gesteinsproben und geologischen Formationen abzuschätzen. Paläontologen nutzen diese Strategie, um festzustellen, wie viel Zeit seit der Ablagerung eines bestimmten Fossils vergangen ist. (Obwohl es nicht immer möglich ist, die Probe direkt zu datieren .)
Sie müssen kein Vorgeschichtsfan sein, um Isotope zu schätzen. Ärzte verwenden einige der radioaktiven Sorten, um den Blutfluss zu überwachen, das Knochenwachstum zu untersuchen und sogar Krebs zu bekämpfen. Radioisotope wurden auch verwendet, um Landwirten Einblicke in die Bodenqualität zu geben .
Da haben Sie es also. Etwas so Abstraktes wie die Variabilität von Neutronen beeinflusst alles von der Krebsbehandlung bis zu den Geheimnissen der tiefen Zeit. Die Wissenschaft ist großartig.
JETZT MACHT DAS SPASS
Sport und Wissenschaft kreuzen sich häufiger als man denkt. New Mexikos größte Stadt hat 2003 ein neues Minor-League-Baseballteam gewonnen. Wie heißt es? Die Albuquerque-Isotope. Als Hinweis auf eine Episode der 12. Staffel von "The Simpsons" hatte der ungewöhnliche Name des Teams einen angenehmen Nebeneffekt: Die Mitarbeiter des Baseballstadions verteilen regelmäßig Chemieunterricht an neugierige Fans.
