Isotope sind Varianten eines chemischen Elements. Nutzung chemischer und biologischer Eigenschaften. Isotope in der Natur

Bei der Untersuchung der Eigenschaften radioaktiver Elemente wurde festgestellt, dass dasselbe chemische Element Atome mit unterschiedlichen Kernmassen enthalten kann. Gleichzeitig haben sie die gleiche Kernladung, das heißt, es handelt sich nicht um Verunreinigungen fremder Stoffe, sondern um den gleichen Stoff.

Was sind Isotope und warum gibt es sie?

Im Periodensystem von Mendelejew nehmen sowohl dieses Element als auch Atome einer Substanz mit unterschiedlichen Kernmassen eine Zelle ein. Basierend auf dem oben Gesagten erhielten solche Sorten derselben Substanz den Namen „Isotope“ (von griechisch isos – identisch und topos – Ort). Also, Isotope- Dies sind Varianten eines bestimmten chemischen Elements, die sich in der Masse der Atomkerne unterscheiden.

Nach dem anerkannten Neutronen-Protonen-Modell des Kerns konnte die Existenz von Isotopen wie folgt erklärt werden: Die Kerne einiger Atome einer Substanz enthalten unterschiedlich viele Neutronen, aber gleich viele Protonen. Tatsächlich ist die Kernladung der Isotope eines Elements gleich, daher ist die Anzahl der Protonen im Kern gleich. Kerne unterscheiden sich in ihrer Masse und enthalten dementsprechend unterschiedlich viele Neutronen.

Stabile und instabile Isotope

Isotope können stabil oder instabil sein. Bisher sind etwa 270 stabile und mehr als 2000 instabile Isotope bekannt. Stabile Isotope- Dies sind Arten chemischer Elemente, die über einen langen Zeitraum unabhängig voneinander existieren können.

Großer Teil instabile Isotope wurde künstlich gewonnen. Instabile Isotope sind radioaktiv, ihre Kerne unterliegen dem Prozess des radioaktiven Zerfalls, also der spontanen Umwandlung in andere Kerne, begleitet von der Emission von Partikeln und/oder Strahlung. Fast alle radioaktiven künstlichen Isotope haben sehr kurze Halbwertszeiten, die in Sekunden oder sogar Sekundenbruchteilen gemessen werden.

Wie viele Isotope kann ein Kern enthalten?

Der Kern kann nicht beliebig viele Neutronen enthalten. Dementsprechend ist die Anzahl der Isotope begrenzt. Gerade Anzahl Protonen Elemente kann die Zahl der stabilen Isotope zehn erreichen. Zinn hat beispielsweise 10 Isotope, Xenon hat 9, Quecksilber hat 7 und so weiter.

Diese Elemente die Anzahl der Protonen ist ungerade, kann nur zwei stabile Isotope haben. Einige Elemente haben nur ein stabiles Isotop. Dabei handelt es sich um Stoffe wie Gold, Aluminium, Phosphor, Natrium, Mangan und andere. Solche Schwankungen in der Anzahl stabiler Isotope verschiedener Elemente hängen mit der komplexen Abhängigkeit der Anzahl von Protonen und Neutronen von der Bindungsenergie des Kerns zusammen.

Fast alle Stoffe in der Natur liegen in Form eines Isotopengemisches vor. Die Anzahl der Isotope in einem Stoff hängt von der Art des Stoffes, der Atommasse und der Anzahl stabiler Isotope eines bestimmten chemischen Elements ab.

Es wurde festgestellt, dass jedes in der Natur vorkommende chemische Element eine Mischung von Isotopen ist (daher haben sie gebrochene Atommassen). Um zu verstehen, wie sich Isotope voneinander unterscheiden, ist es notwendig, die Struktur des Atoms im Detail zu betrachten. Ein Atom bildet einen Kern und eine Elektronenwolke. Die Masse eines Atoms wird durch Elektronen beeinflusst, die sich mit erstaunlicher Geschwindigkeit durch Orbitale in der Elektronenwolke bewegen, Neutronen und Protonen, aus denen der Kern besteht.

Definition

Isotope ist eine Atomart eines chemischen Elements. In jedem Atom gibt es immer die gleiche Anzahl an Elektronen und Protonen. Da sie entgegengesetzte Ladungen haben (Elektronen sind negativ und Protonen positiv), ist das Atom immer neutral (dieses Elementarteilchen trägt keine Ladung, es ist Null). Wenn ein Elektron verloren geht oder eingefangen wird, verliert ein Atom seine Neutralität und wird entweder zu einem negativen oder einem positiven Ion.

Neutronen haben keine Ladung, ihre Anzahl im Atomkern desselben Elements kann jedoch variieren. Dies hat keinen Einfluss auf die Neutralität des Atoms, wohl aber auf seine Masse und Eigenschaften. Beispielsweise enthält jedes Isotop eines Wasserstoffatoms ein Elektron und ein Proton. Aber die Anzahl der Neutronen ist unterschiedlich. Protium hat nur 1 Neutron, Deuterium hat 2 Neutronen und Tritium hat 3 Neutronen. Diese drei Isotope unterscheiden sich in ihren Eigenschaften deutlich voneinander.

Vergleich

Sie haben unterschiedliche Neutronenzahlen, unterschiedliche Massen und unterschiedliche Eigenschaften. Isotope haben identische Strukturen der Elektronenhüllen. Das bedeutet, dass sie sich in ihren chemischen Eigenschaften recht ähneln. Daher erhalten sie einen Platz im Periodensystem.

In der Natur wurden stabile und radioaktive (instabile) Isotope gefunden. Die Atomkerne radioaktiver Isotope sind in der Lage, sich spontan in andere Kerne umzuwandeln. Beim radioaktiven Zerfall emittieren sie verschiedene Partikel.

Die meisten Elemente haben über zwei Dutzend radioaktive Isotope. Darüber hinaus werden radioaktive Isotope für absolut alle Elemente künstlich synthetisiert. In einem natürlichen Isotopengemisch variiert ihr Gehalt geringfügig.

Die Existenz von Isotopen ermöglichte es zu verstehen, warum Elemente mit geringerer Atommasse in manchen Fällen eine höhere Ordnungszahl haben als Elemente mit höherer Atommasse. Beispielsweise enthält Argon im Argon-Kalium-Paar schwere Isotope und Kalium leichte Isotope. Daher ist die Masse von Argon größer als die von Kalium.

Schlussfolgerungen-Website

1. Sie haben eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen.
2. Isotope haben unterschiedliche Atommassen.
3. Der Wert der Masse der Ionenatome beeinflusst ihre Gesamtenergie und Eigenschaften.

Es gibt wahrscheinlich keinen Menschen auf der Erde, der noch nichts von Isotopen gehört hat. Aber nicht jeder weiß, was es ist. Der Ausdruck „radioaktive Isotope“ klingt besonders beängstigend. Diese seltsamen chemischen Elemente machen der Menschheit Angst, aber in Wirklichkeit sind sie nicht so beängstigend, wie sie auf den ersten Blick erscheinen könnten.

Definition

Um das Konzept der radioaktiven Elemente zu verstehen, muss man zunächst sagen, dass Isotope Proben desselben chemischen Elements, jedoch mit unterschiedlichen Massen, sind. Was bedeutet das? Die Fragen verschwinden, wenn wir uns zunächst an die Struktur des Atoms erinnern. Es besteht aus Elektronen, Protonen und Neutronen. Die Anzahl der ersten beiden Elementarteilchen im Atomkern ist immer konstant, während Neutronen, die eine eigene Masse haben, in derselben Substanz in unterschiedlichen Mengen vorkommen können. Durch diesen Umstand entsteht eine Vielzahl chemischer Elemente mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften.

Jetzt können wir dem untersuchten Konzept eine wissenschaftliche Definition geben. Isotope sind also eine Gesamtheit chemischer Elemente mit ähnlichen Eigenschaften, aber unterschiedlichen Massen und physikalischen Eigenschaften. Nach modernerer Terminologie werden sie als Galaxie aus Nukleotiden eines chemischen Elements bezeichnet.

Eine kleine Geschichte

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler, dass dieselbe chemische Verbindung unter verschiedenen Bedingungen unterschiedliche Massen an Elektronenkernen aufweisen kann. Aus rein theoretischer Sicht könnten solche Elemente als neu betrachtet werden und beginnen, leere Zellen im Periodensystem von D. Mendeleev zu füllen. Aber es gibt nur neun freie Zellen darin und Wissenschaftler haben Dutzende neuer Elemente entdeckt. Darüber hinaus zeigten mathematische Berechnungen, dass die entdeckten Verbindungen nicht als bisher unbekannt angesehen werden können, da ihre chemischen Eigenschaften vollständig mit den Eigenschaften bestehender Verbindungen übereinstimmten.

Nach langen Diskussionen wurde beschlossen, diese Elemente Isotope zu nennen und sie in die gleiche Box zu legen wie diejenigen, deren Kerne die gleiche Anzahl an Elektronen enthalten. Wissenschaftler konnten feststellen, dass Isotope nur einige Variationen chemischer Elemente sind. Die Ursachen ihres Auftretens und ihre Lebenserwartung werden jedoch seit fast einem Jahrhundert untersucht. Selbst zu Beginn des 21. Jahrhunderts kann man nicht sagen, dass die Menschheit absolut alles über Isotope weiß.

Anhaltende und instabile Variationen

Jedes chemische Element hat mehrere Isotope. Aufgrund der Tatsache, dass sich in ihren Kernen freie Neutronen befinden, gehen sie nicht immer stabile Bindungen mit dem Rest des Atoms ein. Nach einiger Zeit verlassen freie Teilchen den Kern, wodurch sich seine Masse und seine physikalischen Eigenschaften verändern. Auf diese Weise entstehen weitere Isotope, was letztendlich zur Bildung eines Stoffes mit gleicher Anzahl an Protonen, Neutronen und Elektronen führt.

Stoffe, die sehr schnell zerfallen, nennt man radioaktive Isotope. Sie geben eine große Anzahl von Neutronen in den Weltraum ab und bilden dabei starke ionisierende Gammastrahlung, die für ihre starke Durchdringungskraft bekannt ist und sich negativ auf lebende Organismen auswirkt.

Stabilere Isotope sind nicht radioaktiv, da die Anzahl der von ihnen freigesetzten freien Neutronen nicht in der Lage ist, Strahlung zu erzeugen und andere Atome erheblich zu beeinflussen.

Vor langer Zeit haben Wissenschaftler ein wichtiges Muster festgestellt: Jedes chemische Element hat seine eigenen Isotope, persistent oder radioaktiv. Interessanterweise wurden viele von ihnen unter Laborbedingungen gewonnen, und ihr Vorkommen in natürlicher Form ist gering und wird von Instrumenten nicht immer nachgewiesen.

Verbreitung in der Natur

Unter natürlichen Bedingungen werden am häufigsten Substanzen gefunden, deren Isotopenmasse direkt durch ihre Ordnungszahl in der Tabelle von D. Mendeleev bestimmt wird. Beispielsweise hat Wasserstoff, der mit dem Symbol H bezeichnet wird Ordnungsnummer 1 und seine Masse ist gleich eins. Seine Isotope 2H und 3H kommen in der Natur äußerst selten vor.

Sogar der menschliche Körper verfügt über einige radioaktive Isotope. Sie gelangen über die Nahrung in Form von Kohlenstoffisotopen, die wiederum von Pflanzen aus dem Boden oder der Luft aufgenommen werden und im Rahmen der Photosynthese Teil der organischen Substanz werden. Daher emittieren Menschen, Tiere und Pflanzen eine gewisse Hintergrundstrahlung. Nur ist es so niedrig, dass es die normale Funktion und das normale Wachstum nicht beeinträchtigt.

Die Quellen, die zur Bildung von Isotopen beitragen, sind die inneren Schichten des Erdkerns und Strahlung aus dem Weltraum.

Wie Sie wissen, hängt die Temperatur auf einem Planeten weitgehend von seinem heißen Kern ab. Doch erst vor kurzem wurde klar, dass die Quelle dieser Wärme eine komplexe thermonukleare Reaktion ist, an der radioaktive Isotope beteiligt sind.

Isotopischer Zerfall

Da Isotope instabile Gebilde sind, kann davon ausgegangen werden, dass sie im Laufe der Zeit immer in dauerhaftere Kerne chemischer Elemente zerfallen. Diese Aussage ist wahr, weil es Wissenschaftlern nicht gelungen ist, große Mengen radioaktiver Isotope in der Natur nachzuweisen. Und die meisten von denen, die in Labors extrahiert wurden, dauerten ein paar Minuten bis mehrere Tage und wurden dann wieder in gewöhnliche chemische Elemente umgewandelt.

Es gibt aber auch Isotope in der Natur, die sich als sehr resistent gegen Zerfall erweisen. Sie können Milliarden von Jahren existieren. Solche Elemente entstanden in jenen fernen Zeiten, als sich die Erde noch bildete und es auf ihrer Oberfläche noch nicht einmal eine feste Kruste gab.

Radioaktive Isotope zerfallen sehr schnell und bilden sich wieder neu. Um die Beurteilung der Stabilität des Isotops zu erleichtern, beschlossen die Wissenschaftler daher, die Kategorie seiner Halbwertszeit zu berücksichtigen.

Halbwertszeit

Möglicherweise ist nicht allen Lesern sofort klar, was mit diesem Konzept gemeint ist. Definieren wir es. Die Halbwertszeit eines Isotops ist die Zeit, in der die herkömmliche Hälfte der aufgenommenen Substanz nicht mehr existiert.

Dies bedeutet nicht, dass der Rest der Verbindung in der gleichen Zeit zerstört wird. In Bezug auf diese Hälfte muss eine andere Kategorie berücksichtigt werden – der Zeitraum, in dem ihr zweiter Teil, also ein Viertel der ursprünglichen Substanzmenge, verschwindet. Und diese Überlegung geht bis ins Unendliche weiter. Es ist davon auszugehen, dass es schlicht unmöglich ist, die Zeit bis zum vollständigen Zerfall der Ausgangsmenge eines Stoffes zu berechnen, da dieser Prozess praktisch endlos ist.

Wenn Wissenschaftler jedoch die Halbwertszeit kennen, können sie bestimmen, wie viel von der Substanz zu Beginn vorhanden war. Diese Daten werden erfolgreich in verwandten Wissenschaften eingesetzt.

In der modernen wissenschaftlichen Welt wird das Konzept des vollständigen Zerfalls praktisch nicht verwendet. Für jedes Isotop ist es üblich, seine Halbwertszeit anzugeben, die zwischen einigen Sekunden und vielen Milliarden Jahren variiert. Je kürzer die Halbwertszeit, desto mehr Strahlung geht von der Substanz aus und desto höher ist ihre Radioaktivität.

Fossile Aufbereitung

In einigen Bereichen der Wissenschaft und Technik gilt der Einsatz relativ großer Mengen radioaktiver Stoffe als zwingend erforderlich. Unter natürlichen Bedingungen gibt es jedoch nur sehr wenige solcher Verbindungen.

Es ist bekannt, dass Isotope ungewöhnliche Varianten chemischer Elemente sind. Ihre Zahl wird in mehreren Prozent der resistentesten Sorte gemessen. Deshalb müssen Wissenschaftler fossile Materialien künstlich anreichern.

Im Laufe der Jahre der Forschung haben wir gelernt, dass der Zerfall eines Isotops mit einer Kettenreaktion einhergeht. Die freigesetzten Neutronen eines Stoffes beginnen, einen anderen zu beeinflussen. Dadurch zerfallen schwere Kerne in leichtere und es entstehen neue chemische Elemente.

Dieses Phänomen wird als Kettenreaktion bezeichnet, wodurch stabilere, aber seltenere Isotope gewonnen werden können, die anschließend in der Volkswirtschaft genutzt werden.

Anwendung von Zerfallsenergie

Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass beim Zerfall eines radioaktiven Isotops eine große Menge freier Energie freigesetzt wird. Seine Menge wird normalerweise in der Curie-Einheit gemessen, was der Spaltungszeit von 1 g Radon-222 in 1 Sekunde entspricht. Je höher dieser Indikator ist, desto mehr Energie wird freigesetzt.

Dies wurde zum Anlass für die Entwicklung von Möglichkeiten zur Nutzung kostenloser Energie. So entstanden Atomreaktoren, in die ein radioaktives Isotop eingebracht wird. Der Großteil der dabei freigesetzten Energie wird gesammelt und in Strom umgewandelt. Auf Basis dieser Reaktoren entstehen Kernkraftwerke, die den günstigsten Strom liefern. Kleinere Versionen solcher Reaktoren werden auf selbstfahrenden Mechanismen installiert. Aufgrund der Unfallgefahr werden als solche Fahrzeuge am häufigsten U-Boote eingesetzt. Im Falle eines Reaktorausfalls lässt sich die Zahl der Opfer auf dem U-Boot leichter minimieren.

Eine weitere sehr beängstigende Nutzung der Halbwertszeitenergie sind Atombomben. Während des Zweiten Weltkriegs wurden sie in den japanischen Städten Hiroshima und Nagasaki an Menschen getestet. Die Folgen waren sehr traurig. Daher gibt es weltweit eine Vereinbarung über den Nichteinsatz dieser gefährlichen Waffen. Gleichzeitig forschen große Staaten mit Militarisierungsschwerpunkt auch heute noch auf diesem Gebiet. Darüber hinaus produzieren viele von ihnen heimlich vor der Weltgemeinschaft Atombomben, die tausendmal gefährlicher sind als die in Japan eingesetzten.

Isotope in der Medizin

Für friedliche Zwecke haben sie gelernt, den Zerfall radioaktiver Isotope in der Medizin zu nutzen. Durch die gezielte Bestrahlung des betroffenen Körperbereichs ist es möglich, den Krankheitsverlauf zu stoppen oder dem Patienten zu einer vollständigen Genesung zu verhelfen.

Aber häufiger werden radioaktive Isotope zur Diagnostik verwendet. Tatsache ist, dass ihre Bewegung und die Art des Clusters am einfachsten durch die von ihnen erzeugte Strahlung bestimmt werden können. Dabei wird eine bestimmte ungefährliche Menge eines radioaktiven Stoffes in den menschlichen Körper eingebracht und Ärzte beobachten mit Instrumenten, wie und wo er eindringt.

Auf diese Weise diagnostizieren sie die Funktion des Gehirns, die Natur von Krebstumoren und die Besonderheiten der Funktion der endokrinen und exokrinen Drüsen.

Anwendung in der Archäologie

Es ist bekannt, dass lebende Organismen immer radioaktiven Kohlenstoff-14 enthalten, dessen Halbwertszeit 5570 Jahre beträgt. Darüber hinaus wissen Wissenschaftler, wie viel dieses Elements bis zum Tod im Körper enthalten ist. Das bedeutet, dass alle gefällten Bäume die gleiche Strahlungsmenge abgeben. Mit der Zeit nimmt die Strahlungsintensität ab.

Dies hilft Archäologen zu bestimmen, wie lange das Holz, aus dem eine Galeere oder ein anderes Schiff gebaut wurde, abgestorben ist, und somit den Zeitpunkt des Baus selbst. Diese Forschungsmethode wird als radioaktive Kohlenstoffanalyse bezeichnet. Dadurch ist es für Wissenschaftler einfacher, die Chronologie historischer Ereignisse zu ermitteln.

· Halbwertszeit · Massenzahl · Kernkettenreaktion

Terminologie

Geschichte der Entdeckung von Isotopen

Der erste Beweis dafür, dass Stoffe mit gleichem chemischen Verhalten unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben können, wurde durch die Untersuchung der radioaktiven Umwandlungen von Atomen schwerer Elemente gewonnen. In den Jahren 1906–07 stellte sich heraus, dass das Produkt des radioaktiven Zerfalls von Uran – Ionium – und das Produkt des radioaktiven Zerfalls von Thorium – Radiothorium – die gleichen chemischen Eigenschaften wie Thorium haben, sich jedoch in der Atommasse und den Eigenschaften des radioaktiven Zerfalls von diesem unterscheiden. Später stellte sich heraus, dass alle drei Produkte identische optische und Röntgenspektren aufwiesen. Solche Substanzen, die in ihren chemischen Eigenschaften identisch sind, sich jedoch in der Masse der Atome und einigen physikalischen Eigenschaften unterscheiden, wurden auf Anregung des englischen Wissenschaftlers F. Soddy als Isotope bezeichnet.

Isotope in der Natur

Es wird angenommen, dass die Isotopenzusammensetzung der Elemente auf der Erde in allen Materialien gleich ist. Einige physikalische Prozesse in der Natur führen zu einer Störung der Isotopenzusammensetzung von Elementen (natürlich). Fraktionierung Isotope, die für leichte Elemente charakteristisch sind, sowie Isotopenverschiebungen beim Zerfall natürlicher langlebiger Isotope). Die allmähliche Ansammlung von Kernen in Mineralien – den Zerfallsprodukten einiger langlebiger Nuklide – wird in der nuklearen Geochronologie genutzt.

Menschliche Verwendung von Isotopen

Bei technologischen Aktivitäten haben Menschen gelernt, die Isotopenzusammensetzung von Elementen zu ändern, um bestimmte Materialeigenschaften zu erhalten. Beispielsweise ist 235 U zu einer Spaltungskettenreaktion durch thermische Neutronen fähig und kann als Brennstoff für Kernreaktoren oder Atomwaffen verwendet werden. Natürliches Uran enthält jedoch nur 0,72 % dieses Nuklids, während eine Kettenreaktion praktisch erst ab einem 235U-Gehalt von mindestens 3 % möglich ist. Aufgrund der Ähnlichkeit der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Isotope schwerer Elemente ist das Verfahren zur Isotopenanreicherung von Uran eine äußerst komplexe technologische Aufgabe, die nur einem Dutzend Ländern auf der Welt zugänglich ist. Isotopenmarkierungen werden in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie verwendet (z. B. im Radioimmunoassay).

siehe auch

• Isotopengeochemie

Instabil (weniger als ein Tag): 8 C: Kohlenstoff-8, 9 C: Kohlenstoff-9, 10 C: Kohlenstoff-10, 11 C: Kohlenstoff-11

Stabil: 12 C: Kohlenstoff-12, 13 C: Kohlenstoff-13

10-10.000 Jahre: 14 C: Kohlenstoff-14

Instabil (weniger als ein Tag): 15 C: Kohlenstoff-15, 16 C: Kohlenstoff-16, 17 C: Kohlenstoff-17, 18 C: Kohlenstoff-18, 19 C: Kohlenstoff-19, 20 C: Kohlenstoff-20, 21 C: Kohlenstoff-21, 22 C: Kohlenstoff-22

Isotope- Sorten von Atomen (und Kernen) eines chemischen Elements, die die gleiche Ordnungszahl (Ordnungszahl), aber gleichzeitig unterschiedliche Massenzahlen haben.

Der Begriff Isotop setzt sich aus den griechischen Wurzeln isos (ἴσος „gleich“) und topos (τόπος „Ort“) zusammen, was „gleicher Ort“ bedeutet; Der Name bedeutet also, dass verschiedene Isotope desselben Elements dieselbe Position im Periodensystem einnehmen.

Drei natürliche Wasserstoffisotope. Die Tatsache, dass jedes Isotop ein Proton hat, hat Varianten von Wasserstoff zur Folge: Die Identität des Isotops wird durch die Anzahl der Neutronen bestimmt. Von links nach rechts sind die Isotope Protium (1H) mit null Neutronen, Deuterium (2H) mit einem Neutron und Tritium (3H) mit zwei Neutronen.

Die Anzahl der Protonen im Atomkern wird Ordnungszahl genannt und entspricht der Anzahl der Elektronen in einem neutralen (nicht ionisierten) Atom. Jede Ordnungszahl identifiziert ein bestimmtes Element, jedoch kein Isotop; Ein Atom eines bestimmten Elements kann eine große Bandbreite an Neutronen aufweisen. Die Anzahl der Nukleonen (sowohl Protonen als auch Neutronen) im Kern ist die Massenzahl des Atoms, und jedes Isotop eines bestimmten Elements hat eine andere Massenzahl.

Beispielsweise sind Kohlenstoff-12, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14 drei Isotope von elementarem Kohlenstoff mit den Massenzahlen 12, 13 bzw. 14. Die Ordnungszahl von Kohlenstoff beträgt 6, was bedeutet, dass jedes Kohlenstoffatom 6 Protonen hat, sodass die Neutronenzahlen dieser Isotope 6, 7 bzw. 8 betragen.

Nuklides Und Isotope

Nuklid bezieht sich auf einen Kern, nicht auf ein Atom. Identische Kerne gehören zum gleichen Nuklid, zum Beispiel besteht jeder Kern des Nuklids Kohlenstoff-13 aus 6 Protonen und 7 Neutronen. Das Nuklidkonzept (das sich auf einzelne Kernspezies bezieht) betont die Kerneigenschaften gegenüber den chemischen Eigenschaften, während das Isotopenkonzept (das alle Atome jedes Elements zusammenfasst) die chemische Reaktion gegenüber der Kernreaktion in den Vordergrund stellt. Die Neutronenzahl hat einen großen Einfluss auf die Eigenschaften von Kernen, ihr Einfluss auf die chemischen Eigenschaften ist jedoch bei den meisten Elementen vernachlässigbar. Selbst bei den leichtesten Elementen, bei denen das Verhältnis von Neutronen zur Ordnungszahl zwischen den Isotopen am stärksten variiert, hat es normalerweise nur einen geringen Effekt, obwohl es in manchen Fällen doch eine Rolle spielt (bei Wasserstoff, dem leichtesten Element, ist der Isotopeneffekt groß). große Auswirkungen auf die Biologie haben). Da es sich bei „Isotop“ um einen älteren Begriff handelt, ist er besser bekannt als „Nuklid“ und wird manchmal immer noch in Zusammenhängen verwendet, in denen „Nuklid“ besser geeignet sein könnte, beispielsweise in der Nukleartechnologie und der Nuklearmedizin.

Bezeichnungen

Ein Isotop oder Nuklid wird durch den Namen des spezifischen Elements identifiziert (dies gibt die Ordnungszahl an), gefolgt von einem Bindestrich und einer Massenzahl (z. B. Helium-3, Helium-4, Kohlenstoff-12, Kohlenstoff-14, Uran- 235 und Uran-239). Wenn ein chemisches Symbol verwendet wird, z.B. „C“ für Kohlenstoff, Standardnotation (jetzt bekannt als „AZE-Notation“, da A die Massenzahl, Z die Ordnungszahl und E das Element ist) – geben Sie die Massenzahl (Anzahl der Nukleonen) mit einem hochgestellten Index an oben links im chemischen Symbol und geben Sie die Ordnungszahl mit einem Index in der unteren linken Ecke an). Da die Ordnungszahl durch das Symbol des Elements angegeben wird, wird normalerweise nur die Massenzahl hochgestellt und kein Atomindex angegeben. Der Buchstabe m wird manchmal nach der Massenzahl hinzugefügt, um ein Kernisomer anzuzeigen, einen metastabilen oder energetisch angeregten Kernzustand (im Gegensatz zum Grundzustand mit der niedrigsten Energie), zum Beispiel 180m 73Ta (Tantal-180m).

Radioaktive, primäre und stabile Isotope

Einige Isotope sind radioaktiv und werden daher Radioisotope oder Radionuklide genannt, während bei anderen noch nie beobachtet wurde, dass sie radioaktiv zerfallen, und daher stabile Isotope oder stabile Nuklide genannt werden. Beispielsweise ist 14 C die radioaktive Form von Kohlenstoff, während 12 C und 13 C stabile Isotope sind. Es gibt ungefähr 339 natürlich vorkommende Nuklide auf der Erde, von denen 286 Urnuklide sind, was bedeutet, dass sie seit der Entstehung des Sonnensystems existieren.

Zu den ursprünglichen Nukliden gehören 32 Nuklide mit sehr langen Halbwertszeiten (über 100 Millionen Jahre) und 254, die offiziell als „stabile Nuklide“ gelten, weil bei ihnen kein Zerfall beobachtet wurde. Wenn ein Element über stabile Isotope verfügt, dominieren diese Isotope aus offensichtlichen Gründen in den meisten Fällen die Elementhäufigkeit auf der Erde und im Sonnensystem. Im Fall der drei Elemente (Tellur, Indium und Rhenium) ist das in der Natur am häufigsten vorkommende Isotop jedoch tatsächlich ein (oder zwei) extrem langlebige(s) Radioisotop(e) des Elements, obwohl diese Elemente eines haben oder stabilere Isotope.

Die Theorie sagt voraus, dass viele scheinbar „stabile“ Isotope/Nuklide radioaktiv sind und extrem lange Halbwertszeiten haben (wobei die Möglichkeit des Protonenzerfalls, der alle Nuklide schließlich instabil machen würde, außer Acht gelassen wird). Von den 254 Nukliden, die noch nie beobachtet wurden, sind nur 90 (alle der ersten 40 Elemente) theoretisch stabil gegenüber allen bekannten Zerfallsformen. Element 41 (Niob) ist theoretisch durch spontane Spaltung instabil, dies wurde jedoch nie entdeckt. Viele andere stabile Nuklide sind theoretisch energetisch anfällig für andere bekannte Zerfallsformen, wie etwa den Alpha-Zerfall oder den Doppel-Beta-Zerfall, aber die Zerfallsprodukte wurden noch nicht beobachtet, weshalb diese Isotope als „beobachtungsstabil“ gelten. Die vorhergesagten Halbwertszeiten dieser Nuklide übersteigen oft das geschätzte Alter des Universums erheblich, und tatsächlich sind auch 27 Radionuklide bekannt, deren Halbwertszeiten länger als das Alter des Universums sind.

Künstlich erzeugte radioaktive Nuklide, derzeit sind 3.339 Nuklide bekannt. Dazu gehören 905 Nuklide, die entweder stabil sind oder Halbwertszeiten von mehr als 60 Minuten haben.

Eigenschaften von Isotopen

Chemische und molekulare Eigenschaften

Ein neutrales Atom hat die gleiche Anzahl an Elektronen wie Protonen. Somit haben verschiedene Isotope eines bestimmten Elements die gleiche Anzahl an Elektronen und ähnliche elektronische Strukturen. Da das chemische Verhalten eines Atoms weitgehend von seiner elektronischen Struktur bestimmt wird, weisen verschiedene Isotope ein nahezu identisches chemisches Verhalten auf.

Eine Ausnahme hiervon bildet der kinetische Isotopeneffekt: Schwerere Isotope neigen aufgrund ihrer großen Massen dazu, etwas langsamer zu reagieren als leichtere Isotope desselben Elements. Am ausgeprägtesten ist dies bei Protium (1 H), Deuterium (2 H) und Tritium (3 H), da Deuterium die doppelte Masse von Protium und Tritium die dreifache Masse von Protium aufweist. Diese Massenunterschiede wirken sich auch auf das Verhalten ihrer jeweiligen chemischen Bindungen aus und verändern den Schwerpunkt (reduzierte Masse) atomarer Systeme. Bei schwereren Elementen sind die relativen Massenunterschiede zwischen Isotopen jedoch viel geringer, sodass die Auswirkungen von Massenunterschieden in der Chemie normalerweise vernachlässigbar sind. (Schwere Elemente haben auch relativ mehr Neutronen als leichtere Elemente, daher ist das Verhältnis der Kernmasse zur Gesamtelektronenmasse etwas größer.)

Ebenso haben zwei Moleküle, die sich nur in den Isotopen ihrer Atome unterscheiden (Isotopologe), die gleiche elektronische Struktur und daher nahezu nicht unterscheidbare physikalische und chemische Eigenschaften (wiederum mit den primären Ausnahmen Deuterium und Tritium). Die Schwingungsmodi eines Moleküls werden durch seine Form und die Massen seiner Atombestandteile bestimmt; Daher haben verschiedene Isotopologe unterschiedliche Sätze von Schwingungsmoden. Da Schwingungsmoden es einem Molekül ermöglichen, Photonen geeigneter Energien zu absorbieren, haben Isotopologe im Infrarotbereich unterschiedliche optische Eigenschaften.

Kerneigenschaften und Stabilität

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die durch eine starke Restkraft miteinander verbunden sind. Da Protonen positiv geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab. Neutronen, die elektrisch neutral sind, stabilisieren den Kern auf zwei Arten. Ihr Kontakt drückt die Protonen leicht auseinander, wodurch die elektrostatische Abstoßung zwischen den Protonen verringert wird und sie eine anziehende Kernkraft aufeinander und auf die Protonen ausüben. Aus diesem Grund sind ein oder mehrere Neutronen erforderlich, damit sich zwei oder mehr Protonen an einen Kern binden können. Mit zunehmender Protonenzahl steigt auch das Verhältnis von Neutronen zu Protonen, das für einen stabilen Kern erforderlich ist (siehe Grafik rechts). Obwohl beispielsweise das Neutronen-Protonen-Verhältnis von 3·2 He 1:2 beträgt, beträgt das Neutronen-Protonen-Verhältnis 238·92 U
Mehr als 3:2. Eine Reihe leichterer Elemente haben stabile Nuklide mit einem Verhältnis von 1:1 (Z = N). Das Nuklid 40 20 Ca (Kalzium-40) ist das beobachtete schwerste stabile Nuklid mit der gleichen Anzahl an Neutronen und Protonen; (Theoretisch ist Schwefel-32 das schwerste und stabilste). Alle stabilen Nuklide, die schwerer als Calcium-40 sind, enthalten mehr Neutronen als Protonen.

Anzahl der Isotope pro Element

Von den 81 Elementen mit stabilen Isotopen beträgt die höchste Anzahl stabiler Isotope, die für ein Element beobachtet wurde, zehn (für das Element Zinn). Kein Element hat neun stabile Isotope. Xenon ist das einzige Element mit acht stabilen Isotopen. Vier Elemente haben sieben stabile Isotope, acht davon haben sechs stabile Isotope, zehn haben fünf stabile Isotope, neun haben vier stabile Isotope, fünf haben drei stabile Isotope, 16 haben zwei stabile Isotope und 26 Elemente haben nur eines (davon 19). sogenannte Mononuklid-Elemente mit einem einzigen stabilen Urisotop, das das Atomgewicht des natürlichen Elements dominiert und mit hoher Genauigkeit festlegt; es sind auch 3 radioaktive Mononuklid-Elemente vorhanden. Es gibt insgesamt 254 Nuklide, bei denen kein Zerfall beobachtet wurde. Für die 80 Elemente, die ein oder mehrere stabile Isotope haben, beträgt die durchschnittliche Anzahl stabiler Isotope 254/80 = 3,2 Isotope pro Element.

Gerade und ungerade Anzahl von Nukleonen

Protonen: Das Neutronenverhältnis ist nicht der einzige Faktor, der die Kernstabilität beeinflusst. Es hängt auch von der Parität oder Ungeradheit seiner Ordnungszahl Z, der Anzahl der Neutronen N und daher ihrer Summe der Massenzahl A ab. Ungerade Z und N neigen dazu, die Kernbindungsenergie zu verringern, wodurch ungerade Kerne entstehen, die im Allgemeinen weniger stabil sind. Dieser signifikante Unterschied in der Kernbindungsenergie zwischen benachbarten Kernen, insbesondere ungeraden Isobaren, hat wichtige Konsequenzen: Instabile Isotope mit suboptimalen Neutronen- oder Protonenzahlen zerfallen durch Betazerfall (einschließlich Positronenzerfall), Elektroneneinfang oder andere exotische Mittel wie spontane Spaltung usw Zerfallscluster.

Die meisten stabilen Nuklide bestehen aus einer geraden Anzahl von Protonen und einer geraden Anzahl von Neutronen, wobei die Z-, N- und A-Zahlen alle gerade sind. Ungerade stabile Nuklide werden (ungefähr gleichmäßig) in ungerade aufgeteilt.

Ordnungszahl

Die 148 geraden Protonen- und geraden Neutronennuklide (NE) machen etwa 58 % aller stabilen Nuklide aus. Es gibt auch 22 ursprüngliche, langlebige, gleichmäßige Nuklide. Infolgedessen hat jedes der 41 geradzahligen Elemente von 2 bis 82 mindestens ein stabiles Isotop, und die meisten dieser Elemente haben mehrere Primärisotope. Die Hälfte dieser geraden Elemente hat sechs oder mehr stabile Isotope. Die extreme Stabilität von Helium-4 aufgrund der Doppelverbindung von zwei Protonen und zwei Neutronen verhindert, dass Nuklide mit fünf oder acht Nukleonen lange genug existieren, um als Plattformen für die Ansammlung schwererer Elemente durch Kernfusion zu dienen.

Diese 53 stabilen Nuklide haben eine gerade Anzahl an Protonen und eine ungerade Anzahl an Neutronen. Sie sind eine Minderheit im Vergleich zu den geraden Isotopen, die etwa dreimal häufiger vorkommen. Unter den 41 geraden Z-Elementen, die ein stabiles Nuklid haben, haben nur zwei Elemente (Argon und Cer) keine geraden/ungeraden stabilen Nuklide. Ein Element (Zinn) hat drei. Es gibt 24 Elemente mit einem geraden und ungeraden Nuklid und 13 mit zwei ungeraden und geraden Nukliden.

Aufgrund ihrer ungeraden Neutronenzahlen weisen ungerade-gerade Nuklide aufgrund der Energie, die durch Neutronenkopplungseffekte entsteht, tendenziell große Neutroneneinfangquerschnitte auf. Diese stabilen Nuklide können in der Natur ungewöhnlich häufig vorkommen, vor allem weil sie, um sich zu bilden und in die ursprüngliche Häufigkeit zu gelangen, dem Neutroneneinfang entkommen müssen, um während des s-Prozesses und des r-Neutroneneinfangprozesses während der Nukleosynthese noch andere stabile gerade-ungerade Isotope zu bilden.

Ungerade Ordnungszahl

Die 48 stabilen Nuklide mit ungeraden Protonen und geraden Neutronen, stabilisiert durch ihre gerade Anzahl gepaarter Neutronen, bilden die Mehrheit der stabilen Isotope der ungeraden Elemente; Die anderen bestehen aus sehr wenigen Nukliden mit ungeraden Protonen und ungeraden Neutronen. Es gibt 41 ungerade Elemente von Z = 1 bis 81, von denen 39 stabile Isotope haben (die Elemente Technetium (43 Tc) und Promethium (61 Pm) haben keine stabilen Isotope). Von diesen 39 ungeraden Z-Elementen haben 30 Elemente (einschließlich Wasserstoff-1, wo 0 Neutronen gerade sind) ein stabiles gerades-ungerades Isotop und neun Elemente: Chlor (17 Cl), Kalium (19 K), Kupfer (29 Cu), Gallium (31 Ga), Brom (35 Br), Silber (47 Ag), Antimon (51 Sb), Iridium (77 Ir) und Thallium (81 Tl) haben jeweils zwei ungerade-gerade stabile Isotope. Dies ergibt 30 + 2 (9) = 48 stabile gerade-gerade Isotope.

Nur fünf stabile Nuklide enthalten sowohl eine ungerade Anzahl an Protonen als auch eine ungerade Anzahl an Neutronen. Die ersten vier „ungerade-ungerade“ Nuklide kommen in Nukliden mit niedrigem Molekulargewicht vor, bei denen die Umwandlung eines Protons in ein Neutron oder umgekehrt zu einem sehr einseitigen Proton-Neutron-Verhältnis führt.

Das einzige völlig „stabile“, ungerade ungerade Nuklid ist 180m 73 Ta, das als das seltenste der 254 stabilen Isotope gilt und das einzige ursprüngliche Kernisomer ist, dessen Zerfall trotz experimenteller Versuche bisher nicht beobachtet wurde.

Ungerade Anzahl von Neutronen

Aktiniden mit einer ungeraden Neutronenzahl neigen zur Spaltung (mit thermischen Neutronen), während Aktiniden mit einer geraden Neutronenzahl dies im Allgemeinen nicht tun, obwohl sie mit schnellen Neutronen spalten. Alle beobachtungsstabilen ungeradzahligen Nuklide haben einen ganzzahligen Spin ungleich Null. Dies liegt daran, dass ein einzelnes ungepaartes Neutron und ein ungepaartes Proton eine größere Kernkraftanziehung aufeinander ausüben, wenn ihre Spins ausgerichtet sind (wodurch sich ein Gesamtspin von mindestens einer Einheit ergibt) statt ausgerichtet.

Vorkommen in der Natur

Elemente bestehen aus einem oder mehreren natürlich vorkommenden Isotopen. Instabile (radioaktive) Isotope sind entweder primär oder postprimär. Die Urisotope waren das Produkt der Sternnukleosynthese oder einer anderen Art der Nukleosynthese wie der Spaltung der kosmischen Strahlung und haben bis heute überlebt, weil ihre Zerfallsraten so niedrig sind (z. B. Uran-238 und Kalium-40). Postnatürliche Isotope entstanden durch Bombardierung mit kosmischer Strahlung als kosmogene Nuklide (z. B. Tritium, Kohlenstoff-14) oder durch den Zerfall eines radioaktiven Urisotops in die Tochter eines radioaktiven radiogenen Nuklids (z. B. Uran zu Radium). Mehrere Isotope werden auf natürliche Weise als nukleogene Nuklide durch andere natürliche Kernreaktionen synthetisiert, beispielsweise wenn Neutronen aus der natürlichen Kernspaltung von einem anderen Atom absorbiert werden.

Wie oben erläutert, haben nur 80 Elemente stabile Isotope, und 26 von ihnen haben nur ein stabiles Isotop. So kommen etwa zwei Drittel der stabilen Elemente auf der Erde natürlicherweise in mehreren stabilen Isotopen vor, wobei die größte Anzahl stabiler Isotope für ein Element bei zehn liegt, nämlich für Zinn (50 Sn). Auf der Erde gibt es etwa 94 Elemente (bis einschließlich Plutonium), obwohl einige nur in sehr geringen Mengen vorkommen, wie beispielsweise Plutonium-244. Wissenschaftler gehen davon aus, dass Elemente, die natürlicherweise auf der Erde vorkommen (manche nur als Radioisotope), insgesamt in Form von 339 Isotopen (Nukliden) vorkommen. Nur 254 dieser natürlichen Isotope sind in dem Sinne stabil, dass sie bisher nicht beobachtet wurden. Weitere 35 Urnuklide (insgesamt 289 Urnuklide) sind radioaktiv mit bekannten Halbwertszeiten, haben aber Halbwertszeiten von mehr als 80 Millionen Jahren, was ihre Existenz seit Beginn des Sonnensystems ermöglicht.

Alle bekannten stabilen Isotope kommen natürlicherweise auf der Erde vor; Andere natürlich vorkommende Isotope sind radioaktiv, aber aufgrund ihrer relativ langen Halbwertszeit oder anderer Mittel der kontinuierlichen natürlichen Produktion. Dazu gehören die oben genannten kosmogenen Nuklide, nukleogenen Nuklide und alle radiogenen Isotope, die aus dem fortschreitenden Zerfall eines primären radioaktiven Isotops wie Radon und Radium aus Uran resultieren.

Weitere etwa 3000 radioaktive Isotope, die in der Natur nicht vorkommen, wurden in Kernreaktoren und Teilchenbeschleunigern erzeugt. Durch spektroskopische Analysen wurden auch viele kurzlebige Isotope beobachtet, die auf der Erde nicht natürlich vorkommen und natürlicherweise in Sternen oder Supernovae entstehen. Ein Beispiel ist Aluminium-26, das auf der Erde nicht natürlich vorkommt, aber im astronomischen Maßstab in großen Mengen vorkommt.

Die tabellierten Atommassen der Elemente sind Durchschnittswerte, die das Vorhandensein mehrerer Isotope mit unterschiedlichen Massen erklären. Vor der Entdeckung der Isotope verwirrten empirisch ermittelte, nicht integrierte Atommassenwerte die Wissenschaftler. Beispielsweise enthält eine Chlorprobe 75,8 % Chlor-35 und 24,2 % Chlor-37, was einer durchschnittlichen Atommasse von 35,5 Atommasseneinheiten entspricht.

Nach der allgemein anerkannten Theorie der Kosmologie entstanden im Urknall nur Isotope von Wasserstoff und Helium, Spuren einiger Isotope von Lithium und Beryllium und möglicherweise etwas Bor, alle anderen Isotope wurden später in Sternen und Supernovae synthetisiert. und in Wechselwirkungen zwischen energiereichen Teilchen wie kosmischer Strahlung und zuvor gewonnenen Isotopen. Die entsprechende Isotopenhäufigkeit der Isotope auf der Erde wird durch die durch diese Prozesse erzeugten Mengen, ihre Ausbreitung durch die Galaxie und die Zerfallsrate der instabilen Isotope bestimmt. Nach der ersten Verschmelzung des Sonnensystems wurden die Isotope entsprechend der Masse neu verteilt und die Isotopenzusammensetzung der Elemente variiert leicht von Planet zu Planet. Dies ermöglicht manchmal die Rückverfolgung des Ursprungs von Meteoriten.

Atommasse von Isotopen

Die Atommasse (mr) eines Isotops wird hauptsächlich durch seine Massenzahl (d. h. die Anzahl der Nukleonen in seinem Kern) bestimmt. Kleinere Korrekturen sind auf die Bindungsenergie des Kerns, den geringen Massenunterschied zwischen Proton und Neutron und die Masse der mit dem Atom verbundenen Elektronen zurückzuführen.

Massenzahl - dimensionslose Menge. Die Atommasse hingegen wird mithilfe einer Atommasseneinheit gemessen, die auf der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms basiert. Es wird mit den Symbolen „u“ (für die einheitliche atomare Masseneinheit) oder „Da“ (für das Dalton) bezeichnet.

Die Atommassen der natürlichen Isotope eines Elements bestimmen die Atommasse des Elements. Wenn ein Element N-Isotope enthält, gilt für die durchschnittliche Atommasse folgender Ausdruck:

Dabei sind m 1, m 2, ..., mN die Atommassen jedes einzelnen Isotops und x 1, ..., xN die relative Häufigkeit dieser Isotope.

Anwendung von Isotopen

Es gibt mehrere Anwendungen, die sich die Eigenschaften verschiedener Isotope eines bestimmten Elements zunutze machen. Insbesondere bei schweren Elementen wie Uran oder Plutonium ist die Isotopentrennung ein wichtiges technologisches Problem. Leichtere Elemente wie Lithium, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff werden üblicherweise durch Gasdiffusion von ihren Verbindungen wie CO und NO getrennt. Die Trennung von Wasserstoff und Deuterium ist ungewöhnlich, da sie eher auf chemischen als auf physikalischen Eigenschaften beruht, wie beispielsweise beim Girdler-Sulfid-Verfahren. Uranisotope wurden durch Gasdiffusion, Gaszentrifugation, Laserionisationstrennung und (im Manhattan-Projekt) massenspektrometrische Produktion nach Volumen getrennt.

Nutzung chemischer und biologischer Eigenschaften

• Unter Isotopenanalyse versteht man die Bestimmung der Isotopensignatur, also der relativen Häufigkeit von Isotopen eines bestimmten Elements in einer bestimmten Probe. Insbesondere bei Nährstoffen können erhebliche Schwankungen der C-, N- und O-Isotope auftreten. Die Analyse solcher Schwankungen hat ein breites Anwendungsspektrum, beispielsweise zur Erkennung von Verfälschungen in Lebensmitteln oder zur geografischen Herkunft von Produkten mithilfe von Isoscapes. Die Identifizierung einiger Meteoriten, die vom Mars stammen, basiert teilweise auf der Isotopensignatur der darin enthaltenen Spurengase.
• Mithilfe der Isotopensubstitution kann der Mechanismus einer chemischen Reaktion durch den kinetischen Isotopeneffekt bestimmt werden.
• Eine weitere häufige Anwendung ist die Isotopenmarkierung, die Verwendung ungewöhnlicher Isotope als Indikatoren oder Marker bei chemischen Reaktionen. Normalerweise sind die Atome eines bestimmten Elements nicht voneinander zu unterscheiden. Durch die Verwendung von Isotopen unterschiedlicher Masse können jedoch auch verschiedene nichtradioaktive stabile Isotope mittels Massenspektrometrie oder Infrarotspektroskopie unterschieden werden. Beispielsweise werden bei der „Stabilisotopenmarkierung von Aminosäuren in Zellkulturen“ (SILAC) stabile Isotope zur Quantifizierung von Proteinen verwendet. Wenn radioaktive Isotope verwendet werden, können diese anhand der von ihnen emittierten Strahlung nachgewiesen werden (dies wird als Radioisotopenmarkierung bezeichnet).
• Isotope werden üblicherweise verwendet, um die Konzentration verschiedener Elemente oder Substanzen mithilfe der Isotopenverdünnungsmethode zu bestimmen, bei der bekannte Mengen isotopensubstituierter Verbindungen mit Proben gemischt werden und die Isotopensignaturen der resultierenden Mischungen mithilfe von Massenspektrometrie bestimmt werden.

Nutzung nuklearer Eigenschaften

• Eine ähnliche Methode wie die Radioisotopenmarkierung ist die radiometrische Datierung: Mithilfe der bekannten Halbwertszeit eines instabilen Elements kann die Zeit berechnet werden, die seit dem Vorhandensein einer bekannten Konzentration des Isotops vergangen ist. Das bekannteste Beispiel ist die Radiokarbondatierung, mit der das Alter kohlenstoffhaltiger Materialien bestimmt wird.
• Einige Formen der Spektroskopie beruhen auf den einzigartigen Kerneigenschaften spezifischer Isotope, sowohl radioaktiver als auch stabiler. Beispielsweise kann die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) nur für Isotope mit einem Kernspin ungleich Null eingesetzt werden. Die in der NMR-Spektroskopie am häufigsten verwendeten Isotope sind 1 H, 2 D, 15 N, 13 C und 31 P.
• Die Mössbauer-Spektroskopie basiert auch auf Kernübergängen bestimmter Isotope wie 57Fe.