Wenn man – wie ich – im Bereich der Spezialgase arbeitet, gehören Kundenanfragen rund um gasförmige Isotope oder Isotopengemische zum Alltag. Im Sondergasezentrum der Westfalen Gruppe händeln wir verschiedenste gasförmige Isotope und stellen Gemische nach individuellen Kundenwünschen her.

Aber was ist denn nun genau ein Isotop? 

Die uns umgebende Materie besteht aus fast 100 verschiedenen Elementen. Zu welchem dieser Elemente ein Atom gehört, ergibt sich aus der Anzahl der Protonen (positiv geladene Teilchen) und Neutronen (ungeladene Teilchen) im Atomkern. Die Zahl der Protonen bestimmt die Ordnungszahl des Elementes im Periodensystem, die Zahl der Neutronen die Massenzahl.

Wenn zwei Atome gleich viele Protonen haben, also dem gleichen Element zugehören, aber eine unterschiedliche Zahl von Neutronen aufweisen, handelt es sich um Isotope.

Ein Atom des Elements Kohlenstoff hat immer sechs Protonen im Kern (sonst wäre es kein Kohlenstoff), kann aber statt sechs auch sieben oder acht Neutronen enthalten. Dann spricht man von Kohlenstoffisotopen. Ganz einfach ausgedrückt: Zwei Isotope eines Elementes sind wie Zwillinge, von denen einer ein wenig Übergewicht hat.

Die Schale des Atoms enthält übrigens immer genau so viele Elektronen wie sich Protonen im Kern befinden (sonst wäre es ein Ion, ein geladenes Teilchen).

Und so werden Isotope gekennzeichnet

Kohlenstoff hat – wie wir eben schon gesehen haben – zwei stabile Isotope, ¹²C und ¹³C. In der Natur findet man jedoch fast nur das Isotop mit der Massenzahl 12. 

Um verschiedene Isotope eines Elementes eindeutig zu kennzeichnen, wird die Massenzahl links oben am Elementsymbol ergänzt, z.B.:

¹²CO₂ : Kohlenstoffdioxid mit sechs Neutronen im Kohlenstoff-Atomkern
¹³CO₂ : Kohlenstoffdioxid mit sieben Neutronen im Kohlenstoff-Atomkern

Stabil und instabil

Fast jedes natürlich vorkommende Element verfügt über mindestens ein stabiles Isotop. Kohlenstoff verfügt über zwei stabile Isotope. Neben diesen beiden stabilen Kohlenstoffisotopen gibt es zudem zwei instabile Isotope: ¹⁴C mit einer Halbwertszeit von 5.730 Jahren und ¹⁵C mit einer Halbwertszeit von 2,45 Sekunden. ¹⁵C kommt allerdings in der Natur nicht vor sondern kann nur künstlich hergestellt werden.

Instabile Atomkerne besitzen die Eigenschaft, sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln und dabei ionisierende Strahlung auszusenden. Die Atomkerne zerfallen.  Es gibt nur einige wenige Elemente mit ausschliesslich instabilen – also radioaktiven – Atomkernsorten (zum Beispiel Plutonium oder Uran).

Zu chemisch? Zu theoretisch? Schon abgeschaltet?

Dann mal Praxis.

Isotope werden unter anderem eingesetzt, um zwei Atome gleicher Art zu unterscheiden. Beispielsweise tauscht man ein Atom gezielt gegen eins seiner Isotope aus. In der Analyse kann dann das „markierte“ Molekül in Produkten und Stoffen nachgewiesen werden.

Viele diagnostische oder analytische Verfahren sind erst durch den Einsatz verschiedener Isotope möglich.  Isotope helfen beispielsweise, den Zeitraum der Entstehung von archäologischen, paläontologischen und geologischen Gegenständen zu bestimmen.

Radiokarbonmethode

Das Verfahren der Radiokohlenstoffdatierung oder Radiokarbonmethode beruht darauf, dass in abgestorbenen Organismen die Menge an gebundenen radioaktiven ¹⁴C gemäß Zerfallsgesetz abnimmt. Lebende Organismen sind von diesem Effekt nicht betroffen, da sie ständig neuen Kohlenstoff aus der Umwelt aufnehmen, der den normalen Anteil an ¹⁴C-Isotopen nahezu konstant hält.

Nach 5.730 Jahren (Halbwertszeit) ist nur noch die Hälfte an ¹⁴C vorhanden, während der Anteil an ¹²C unverändert bleibt. Aus dem Verhältnis von ¹²C und ¹⁴C lässt sich nun das Alter des Fundes bestimmen.  Allerdings darf der Fund nicht älter als 50.000 Jahre alt sein – dann ist die Menge an ¹⁴C zu klein, um sie noch verlässlich bestimmen zu können.

Auf der Suche nach Helicobacter pylori

Der bakterielle Erreger Helicobacter pylori gilt als Indikator für Magenkrebs. Zum Nachweis musste bislang eine Magenspiegelung oder gar ein aufwendiger Eingriff vorgenommen werden. Durch den Einsatz bestimmter Isotopengemische kann die Diagnose nun einfach über den Atem des Patienten erfolgen: Der Erreger wandelt im Harnstoff enthaltenen Kohlenstoff in Kohlendioxid um. Durch den Stoffwechsel wird aus einem ¹³C-Isotop stabiles ¹³CO₂, das über die Atmung ausgeschieden wird.

Spezielle Gemische aus ¹²CO₂ und ¹³CO₂ dienen als Null- und Referenzgase für das zur Diagnose verwendete massenspektroskopische Verfahren. Auch können Isotope Aussagen zur geografischen Herkunft, zu nicht deklarierten Zusatzstoffen und zur Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen von Lebensmitteln geben.

Und…? War doch ganz interessant, oder..?

Unser Arbeitsgebiet bietet eine Fülle von weiteren spannenden Themen. In diesem Sinne: wir lesen uns.

Schönen Gruß aus dem Produktmanagement Spezialgase!

Lena Niehues

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