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Isotope, - Referat
Isotope,
zu einem Element gehörende Atome gleicher Ordnungszahl, die sich aber in ihren Massenzahlen voneinander unterscheiden. Isotope nehmen im Periodensystem der Elemente ein und denselben Platz ein. Die Ordnungszahl entspricht definitionsgemäß der Anzahl der Protonen im Kern, während die Massenzahl sich aus der Summe von Protonen und Neutronen im Kern zusammensetzt. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass Isotope ein und desselben Elements nur eine verschiedene Anzahl von Neutronen in ihren Kernen haben. In der Natur kommen sowohl stabile als auch instabile Isotope vor. Die instabilen Isotope werden auch als Radionuklide oder Radioisotope bezeichnet. Sie zerfallen in einem spontan ablaufenden Prozess zu stabilen Isotopen. Dies geschieht häufig über radioaktive Zwischenstufen, wobei in diesem Zusammenhang die so genannten Halbwertszeiten von wichtiger Bedeutung sind (siehe Radioaktivität: Radioaktive Zerfallsreihen). Die meisten Radioisotope sind allerdings nur auf künstlichem Wege zugänglich.
Isotope zeigen im Allgemeinen ein ähnliches chemisches Verhalten. Geringe Unterschiede hat man nur bei den Isotopen der leichten Elemente feststellen können. Im Gegensatz dazu lassen sich Isotope anhand bestimmter physikalischer Eigenschaften unterscheiden. Neben der Masse handelt es sich hierbei um den so genannten Kernspin (Gesamtdrehimpuls; siehe Spin), das magnetische Drehmoment und das Volumen des Isotopenkerns.
Forschung
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigten Experimente, dass sich radioaktive Substanzen nur in der Struktur ihrer Kerne unterscheiden. Sie lassen sich nicht auf chemische Weise trennen. Der britische Physiker Sir Joseph Thomson bewies im Jahr 1912 die Existenz stabiler Isotope. Er leitete das Edelgas Neon durch eine Gasentladungsröhre (siehe elektrische Beleuchtung: Weitere Lampentypen) und lenkte die Neonionen mit Hilfe von magnetischen und elektrischen Feldern ab. Auf diese Weise fand er zwei Neonisotope, das eine mit der Massenzahl 20 und das andere mit 22, und konnte somit zeigen, dass das stabile Element Neon in mehr als nur einer Form vorliegen kann. Natürlich vorkommendes Neon setzt sich zu 90 Prozent aus Neon 20, zu 9,73 Prozent aus Neon 22 und zu 0,27 Prozent aus Neon 21 zusammen. Die Isotopenforschung wurde von vielen Wissenschaftlern weitergeführt, besonders erwähnt sei an dieser Stelle der britische Physiker Francis William Aston. Mit der Entwicklung des Massenspektrometers erlangte die Forschung zum Nachweis und zur Untersuchung der Isotope neuen Auftrieb. Mit diesen Messgeräten war es möglich, Isotope anhand ihrer unterschiedlichen Massen voneinander zu trennen und einzeln nachzuweisen.
Heutzutage ist bekannt, dass die Mehrzahl der Elemente in ihrem natürlichen Zustand aus einem Gemisch von zwei oder mehreren Isotopen bestehen. Ausnahmen sind Beryllium, Aluminium, Phosphor und Natrium. Die in Tabellen angegebene relative Atommasse eines Elements ist das gewichtete Mittel aus den relativen Atommassen (oder Massenzahlen) der einzelnen Isotope. Beispielsweise besteht Chlor (relative Atommasse 35,457) aus Chlor 35 und Chlor 37, wobei das erstgenannte Isotop mit einer Häufigkeit von 76 Prozent und das letztgenannte mit 24 Prozent auftritt. Alle Isotope der Elemente mit einer Ordnungszahl über 83 (nach Bismut im Periodensystem) sind radioaktiv, ebenso einige von den leichteren Isotopen, z. B. Kalium 40. Zu Beginn der neunziger Jahre kannte man 334 natürlich vorkommende Isotope (262 stabile und 72 radioaktive Isotope). Die Zahl der künstlichen Isotope liegt weitaus höher (1996 nahezu 1 500).
Die ersten künstlichen radioaktiven Isotope (auch Radioisotope) wurden 1933 von den französischen Physikern Irène und Frédéric Joliot-Curie dargestellt. Dabei handelte es sich um Radioisotope des Phosphors und des Stickstoffs.
Trennung
Verschiedene Isotope eines Elements lassen sich nur schwer voneinander trennen. Es ist nicht möglich, eine vollständige Trennung mit chemischen Methoden in einem Schritt durchzuführen, da Isotope eines Elements die gleichen chemischen Eigenschaften aufweisen. Physikalische Methoden beruhen dagegen im Allgemeinen auf äußerst kleinen Unterschieden in den physikalischen Eigenschaften. Bei der Isotopentrennung nutzt man in erster Linie die geringen Massedifferenzen aus. Im Gegensatz dazu hängen die elektrolytische Trennung und verschiedene Austauschverfahren zur Isotopentrennung von der Reaktionsgeschwindigkeit bzw. von den Unterschieden im chemischen Gleichgewicht ab. Letztere basieren hauptsächlich auf Energiedifferenzen in den chemischen Bindungen und hängen von der Isotopenmasse ab. Die Wasserstoffisotope Deuterium (Wasserstoff 2) und gewöhnlicher Wasserstoff (Wasserstoff 1) waren die ersten Isotope, die in nennenswerten Mengen getrennt wurden. In diesem Zusammenhang hat sich der amerikanische Chemiker Harold Urey verdient gemacht. Urey entdeckte bei seinen Forschungen im Jahr 1932 das Deuterium.
Vor 1940 dienten die meisten Methoden zur Trennung kleiner Mengen von Isotopen hauptsächlich zu Forschungszwecken. Zu den erfolgversprechendsten gehörten die Zentrifugation, die fraktionierte Destillation, die Thermodiffusion, die Elektrolyse, die Gasdiffusion und die elektromagnetische Trennung. Am wirkungsvollsten verläuft die Trennung natürlich bei den Wasserstoffisotopen. Hier beträgt die Massendifferenz zwischen den zwei Isotopen 100 Prozent. Im Vergleich dazu differieren die Massen der Kohlenstoffisotope Kohlenstoff 12 und Kohlenstoff 13 und auch die Neonisotope Neon 20 und Neon 22 nur um circa zehn Prozent. Bei den Uranisotopen Uran 235 und Uran 238 sind es sogar nur etwas mehr als ein Prozent. Dieser Faktor von 10 zu 1 bzw. 100 zu 1 erschwert natürlich die Trennung um den Faktor 10 beziehungsweise 100. Außer bei der elektromagnetischen Methode gelingt die Isotopentrennung nur in mehreren Stufen. Die elektromagnetische Methode ist das einzige Einstufenverfahren. Das Nettoergebnis jeder einzelnen Stufe besteht in der Trennung des Ausgangsmaterials in zwei Fraktionen, wobei der prozentuale Anteil des schwereren Isotops in einer der beiden Fraktionen etwas höher liegt als im Ausgangsgemisch. Die andere Fraktion enthält etwas mehr vom leichteren Isotop.
Um das gewünschte Isotop in nennenswerter Konzentration zu erhalten bzw. in der entsprechenden Mischung anzureichern, sind weitere Verfahrensschritte notwendig. Man bedient sich dazu einer so genannten Kaskade, d. h. einer technischen Apparatur, die eine große Anzahl von nacheinander geschalteten Verfahrensstufen ermöglicht. Die angereicherte Fraktion jeder einzelnen Stufe wird dabei als Ausgangsmaterial für die nächst folgende Stufe eingesetzt. Der verbleibende Rest wird mit der vorhergehenden Fraktion vermischt, denn hier sind zum Teil noch beträchtliche Anteile des gewünschten Isotops enthalten. Wenn das Ausgangsmaterial (wie beim Uran) knapp ist, wird sogar der Rest aus der Anfangsstufe einer Trennung in zusätzlichen Stufen unterworfen. Um den Stofffluss von Verfahrensschritt zu Verfahrensschritt automatisch und kontinuierlich ablaufen zu lassen, hat man dazu effiziente Kaskadensysteme entwickelt.
Eine solche Kaskade ist sehr flexibel. Die Einheiten mit den Fraktionen können nach Wunsch von einer Trennstufe zur anderen verschoben werden. Bei der Trennung von Uran beispielsweise muss man anfangs mit Unmengen an Material umgehen, da das gewünschte Uran 235 etwa 140mal soviel Uran 238 enthält. Am Ende des Prozesses liegt Uran 235 dann in fast reiner Form vor, der Materialumfang ist entsprechend kleiner. Außerdem lassen sich durch Änderungen im Rohrleitungssystem die Stufen verschieben. Dadurch lässt sich der Zuwachs an Material auf einer mittleren Stufe ausgleichen.
Zentrifuge und Destillation
Eine Zentrifuge zur Trennung von Isotopen ist im Innern so aufgebaut, dass der abwärts strömende Dampf in den äußeren Teil des rotierenden Zylinders, der aufwärts strömende Dampf dagegen in den zentralen Bereich des Zylinders gelangt. Beim Zentrifugieren reichert sich dann das schwerere Isotop im äußeren Bereich an. Bei der fraktionierten Destillation setzt man ein Gemisch der verschiedenen Isotope ein. Die Moleküle mit dem niedrigeren Siedepunkt (die leichteren Isotope) reichern sich im Dampfstrom an und werden gesammelt.
Thermodiffusion
Diese Methode nutzt das Bestreben leichterer Moleküle einer Flüssigkeit oder eines Gases, sich in der heißen Region anzureichern, während sich schwerere Moleküle verstärkt in einer kalten Region aufhalten. Eine einfache Form einer Thermodiffusionsapparatur besteht aus einem hohen senkrechten Rohr mit einem Draht. Dieser läuft entlang der Mitte des Rohres und wird elektrisch auf etwa 500 ºC erhitzt. Damit entsteht ein Temperaturgefälle zwischen der Mitte und der Wand des Rohres. Die schwereren Isotope reichern sich mehr im äußeren Teil des Rohres an, die leichteren mehr in der Mitte. Gleichzeitig bewirkt die Wärmekonvektion folgendes: Das Gas oder die Flüssigkeit in der Nähe des Drahtes steigt nach oben. Im Gegensatz dazu sinkt das kühlere Gas oder die kühlere Flüssigkeit im äußeren Bereich nach unten. Im Endeffekt sammeln sich dadurch die schwereren Isotope auf dem Boden des Rohres an, während die leichteren sich im oberen Teil des Rohres anhäufen.
Elektrolyse
Die elektrolytische Trennung ist sowohl in historischer als auch heutiger Hinsicht von Interesse. Sie war die erste angewandte Methode, um Deuteriumoxid praktisch in reiner Form vom Wasser abzutrennen. Bei der Elektrolyse von Wasser entsteht zuerst das leichtere Wasserstoffisotop. Im zurückbleibenden Rest reichert sich das schwerere Isotop in Form von Deuteriumoxid an.
Gasdiffusion
Die Gasdiffusion wurde zusammen mit der elektromagnetischen Methode zur Trennung der Uranisotope eingesetzt (siehe Diffusion). Ihre Effizienz blieb bisher unerreicht. 1940 gelang zum ersten Mal die Spaltung von Uran 235 mit Neutronen. Kurz darauf erkannte man die Möglichkeit der militärischen Nutzung. Uran 235 findet man in natürlich vorkommendem Uran zu einem Anteil von sieben Teilen in 1 000 Teilen Uran 238. Um über größere Mengen waffenfähiges Uran 235 zu verfügen, musste man Trennverfahren entwickeln. Im Rahmen des Atombombenprojekts wurden die verschiedenen Methoden zur Isotopentrennung untersucht. Die Gasdiffusion und die elektromagnetische Methode wurden dann großtechnisch betrieben. Damit ließ sich pro Tag circa ein Kilogramm Uran 235 für den Einsatz in Atomwaffen herstellen.
Bei der Gasdiffusionsmethode macht man es sich zunutze, dass Gase mit verschiedenen relativen Molekülmassen unterschiedlich schnell diffundieren. Die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gases verhält sich umgekehrt proportional zur Quadratwurzel aus der Masse. Dementsprechend diffundieren leichte Atome schneller als schwere durch ein poröses Hindernis. Bei der Trennung der Uranisotope wird die einzige gasförmige Uranverbindung, Uran(VI)-fluorid (UF6), kontinuierlich durch poröse Membranen gepumpt. Der Massenunterschied zwischen Uran 235 und Uran 238 beträgt etwas über ein Prozent, die Massendifferenz bei den Fluoriden ist allerdings noch etwas kleiner als ein Prozent. Der Anreicherungsfaktor, der von der Wurzel aus der oben angegebenen Differenz abhängt, beträgt theoretisch 0,43 Prozent für ein Momentanverfahren. Bei kontinuierlicher Verfahrensweise liegt der Wert um 0,30 Prozent. In der Praxis erreicht man allerdings nur einen Anreicherungsfaktor von circa 0,14 Prozent pro Stufe. Man benötigt also 4 000 Stufen, um aus natürlichem Uran gut 99 Prozent Uran 235 herzustellen. Das Verfahren erfordert Tausende Kilometer Rohrleitung, Tausende Pumpen und Motoren und komplizierte Kontrollmechanismen.
Elektromagnetismus
Obwohl die Gasdiffusionsmethode beachtliche Mengen an Uran 235 liefert, wurden vergleichbare Mengen des Isotops durch die Anwendung elektromagnetischer Mittel in Oak Ridge (Tennessee) erzeugt. Man baute eine Reihe Trenneinheiten, in denen der aus einer Uranverbindung stammende Ionenstrom durch ein magnetisches Feld geleitet wurde. Da der Krümmungsradius der abgelenkten Ionenbahn von der Masse des Ions abhängt, kommen Ionen verschiedener Masse an unterschiedlichen Stellen des Detektors an. Die Uranisotope werden merklich getrennt. Allerdings ist in einem Arbeitsschritt immer nur eine geringe Materialmenge einsetzbar.
Laserstrahl
Die Idee, Trennung und Anreicherung von Isotopen mit Hilfe von Lasern durchzuführen, entstand bald nach der Erfindung des Lasers im Jahr 1960. Bis zur Entwicklung eines durchstimmbaren Farbstofflasers, der Photonenstrahlen in einem wählbaren schmalen Bereich von infraroten bis zu ultravioletten Wellenlängen liefert, dauerte es weitere arbeitsreiche sechs Jahre. Nach diesem Konzept wird ein Element zuerst verdampft. Danach können dessen Atome mit einem genau abgestimmten Laserstrahl selektiv angeregt und ionisiert werden, so dass das gewünschte Isotop abgetrennt werden kann. Die Isotope können aber auch in molekularer Form separiert werden, indem man die Moleküle, die das gewünschte Isotop enthalten, mit dem Laserstrahl ionisiert. An der Entwicklung derartiger Verfahren arbeitet man seit 1972, besonders hinsichtlich der Anreicherung von Uran und Plutonium für Kernkraftwerke bzw. Kernwaffen. Die Methode ist zwar kostenaufwendig und technisch schwer zu beherrschen, zur Erzeugung hochangereicherten Materials werden dafür aber nur wenige Stufen benötigt.
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