Atomkerne bestehen aus positiv elektrisch geladenen Protonen und neutralen Neutronen. Da die chemischen Eigenschaften eines Atoms hauptsächlich auf elektrische Wechselwirkungen beruhen, sind Atome, deren Kerne gleich viele Protonen haben, einander sehr ähnlich. Sie gehören zum selben chemischen Element. Solche Atome, die sich nur in der Masse des Atomkerns unterscheiden, bezeichnet man als Isotope. Ihre Kerne haben unterschiedlich viele Neutronen aber gleich viele Protonen.
Von den meisten chemischen Elementen sind verschiedene stabile und instabile Isotope bekannt. So gibt es vom Wasserstoff neben dem normalen Isotop (1H) das stabile Isotop Deuterium (D oder 2H) mit einem Neutron neben dem Proton und das instabile Isotop Tritium (T oder 3H) mit zwei Neutronen. Helium besteht aus den stabilen Isotopen 4He und 3He. Die hochgestellte Zahl links neben der Elementabkürzung steht dabei für die Massezahl also für die Anzahl der Nukleonen im Kern. Kerne unterschiedlicher Elemente mit gleichen Massenzahlen, also zum Beispiel 3H und 3He bezeichnet man als Isobare.
Besonders für leichte Elemente, wie Wasserstoff oder Helium, ist die Trägheit des Atomkerns nicht unerheblich. Die Schwingungsfrequenzen und -auslenkungen von Molekülen hängen davon ab, welche Masse die einzelnen Atome haben. Deshalb spielt es eine Rolle, ob die Wasserstoffatome im Wasser aus gewöhnlichem Wasserstoff oder aus Deuterium sind. Schließlich ist Deuterium doppelt so schwer. In der Molekülspektroskopie kann man daher den Unterschied zwischen gewöhlichen Wassermolekülen und solchen mit Deuterium sehen. Wasser mit Deuterium statt gewöhnlichem Wasserstoff wird schweres Wasser genannt. Wegen der geringeren Beweglichkeit von Deuterium, sind Quanteneffekte im schwerem Wasser weniger ausgeprägt als in gewöhnlichem Wasser.
Die meisten Elemente kommen in der Natur als Gemisch ihrer unterschiedlichen Isotope vor. Die spezifische Masse eines Elements, wie sie in vielen Ausgaben des Periodensystems der Elemente angegeben ist, ist daher nicht die Masse eines einzelnen Atoms, sondern ein Durchschnitt der verschiedenen Isotopenmassen, gewichtet mit ihren relativen Häufigkeiten. Die natürliche Zuammensetzung eines Elements kann auch mit dem Herkunftsort variieren und so Aufschluss darüber geben, wo ein Element her kommt und wie es gewonnen wurde.
Im natürlichen Isotopengemisch eines Elements können auch radioaktive Isotope vorkommen. So gibt es in der Luft durch die Höhenstrahlung immer einen Anteil radioaktiven Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoff wird von Pflanzen aufgenommen und in das Gewebe eingebaut und konserviert. Da nun die radioaktiven Kohlenstoffisotope mit der Zeit zerfallen, während die nicht radioaktiven bestehen bleiben, kann man aus den Isotopenverhältnissen von Kohlenstoff und den Zerfallsprodukten auf das Alter einer historischen Probe schließen. Diese Radiokarbon-Analyse ist eine Standardmethode zur Altersbestimmung in der Archöologie und Paleontologie.
Während chemische Reaktionen von Isotopen weitgehend unabhängig sind, treten Kernreaktionen meist nur zwischen bestimmten Isotopen eines Elements auf. Für alle Formen von direkten Kernreaktionen, also Reaktionen, bei denen nicht die Elektronenhülle sondern die Nukleonen in den Kernen miteinander Bindungen eingehen, sind verschiedene Isotope des selben Elementes grundverschiedene Objekte. Für Kernreaktionen müssen die Isotope des selben Elementes daher wie verschiedene Elemente behandelt werden. Deshalb ist das Isotopengemisch in Kernprozessen eine sehr wichtige Information.
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Letzte Änderung: 08.08.2010