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Station 3: Isotope

Station 3: Isotope

Der Aufbau des Atomkerns

Der Kern eines Atoms ist aus den einfach positiv geladenen Protonen und den ungeladenen Neutronen aufgebaut. Beide Teilchen haben eine Masse von ziemlich genau 1 u.

Da ein Atom nach außen elektrisch neutral ist (also ungeladen), sind in der Atomhülle immer so viele Elektronen wie Protonen im Kern. Ein Elektron hat eine so geringe Masse, dass fast die gesamte Masse eines Atoms, von den Protonen und Neutronen bestimmt wird.

Ein Beispiel: Ein Goldatomkern ist aus 79 Protonen und 118 Neutronen aufgebaut. Die Masse dieses Atomkerns ist also 197 u. Die 79 Elektronen in der Hülle wiegen zusammen nur etwa 0,04 u.


Wie können wir erklären, dass die Atommasse des Elements Chlor 35,45 u ist, wenn die Masse nur durch Protonen und Neutronen bestimmt wird und diese 1 u wiegen?

Diese Frage greifen wir später in dieser Station wieder auf und du wirst sie dann beantworten können.

Viele neue "Elemente"?

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts fanden Wissenschaftler durch die Erforschung der radioaktiven Elemente immer mehr Elemente. Sie wurden, zum Beispiel, Uran X, Uran II; Thorium X oder Mesothorium genannt, da sie bei der Erforschung dieser Elemente gefunden wurden.

Frederick Soddy und seine Mitarbeiter erforschten dieses Phänomen genauer und kamen zunächst zu dem Ergebnis, dass es anscheinend über 40 verschiedene dieser neuen radioaktiven Elemente geben sollte. Soddy untersuchte 1910 diese neuen radioaktiven Elemente genauer und stellte fest, dass viele dieser Elemente chemisch nicht voneinander zu trennen waren. So etwa bei Mesothorium, Thorium X und dem Element Radium. Diese 3 waren in ihren chemischen Eigenschaften nicht voneinander zu unterscheiden.

Die radioaktiven Verschiebungssätze

Es war bekannt, dass die radioaktive Strahlung aus α-Strahlung und β-Strahlung besteht. α-Strahlen sind zweifach positiv geladene Heliumatomkerne. β-Strahlen sind negativ geladene Elektronen. Strahlt ein radioaktives Element also α-Strahlen aus, so verliert es eine Masse von 4 u (2 Protonen und 2 Neutronen). Bei der β-Strahlung veränderte sich die Masse des Elements nicht, aber die Kernladungszahl wurde um 1 größer.

Diese Entdeckungen führten 1913 dazu, dass Soddy und ein anderer Wissenschaftler, Kazimierz Fajans, unabhängig voneinander die radioaktiven Verschiebungssätze aufstellten:

  • Strahlt ein radioaktives Element α-Teilchen, also einen Heliumatomkern, aus, entsteht ein anderes Element, welches im Periodensystem zwei Plätze weiter links liegt. Es hat 2 Protonen weniger im Kern und ist um die Masse 4 u leichter. So entsteht aus Thorium, durch α-Zerfall das Element Radium (Mesothorium).
  • Strahlt ein radioaktives Element β-Teilchen, also Elektronen, aus, entsteht ein anderes Element, welches im Periodensystem einen Platz weiter rechts liegt, aber die gleiche Masse hat.

Diese Regeln erklärten, die Vielfalt der gefundenen „neuen Elemente“. Sie waren alle bereits bekannte Elemente. Sie entstanden nur durch radioaktive Strahlung aus anderen Elementen.

Diese Verschiebungssätze bedeuteten auch, dass es Atomkerne geben musste, die zum gleichen Element gehörten, aber unterschiedliche Massenzahlen hatten. Soddy gab diesen Atomsorten, die zum gleichen Element gehören, aber unterschiedliche Massen haben mussten, Isotope.

Isotope kommen aber nicht nur bei radioaktiven Elementen vor. Durch die sogenannte Massenspektrometrie konnte in den darauffolgenden Jahren die Existenz von Isotopen bewiesen werden. Auch natürlich vorkommende Elemente, wie zum Beispiel Chlor, Neon oder auch Kohlenstoff bestehen aus Atomen, deren Atomkerne unterschiedliche Massen besitzen.

Aufgabe

  1. Erkläre den Begriff "Isotop" mit deinen eigenen Worten. Nutze dazu die Abbildung unten.
  2. Alle Atomkerne des Elements Chlor enthalten 17 Protonen. Die Atommasse im Periodensystem wird mit 35,45 u angegeben. Erkläre wie diese Atommasse zustande kommen kann.
  3. "Alle Atome eines Elementes sind gleich." Bewerte diese Aussage kritisch. Formuliere eine präzisere Aussage.
Chemieqeu-Wxqzxebmaster (chemie@uol.djcmety) (Stand: 14.09.2020)