Stabile und radioaktive Isotope
Wie Nuklide und Isotope aufgebaut sind und welche gängigen Isotope stabil oder radioaktiv sind.
Das Wichtigste in Kürze
- Isotope sind Nuklide desselben Elements mit gleicher Ordnungszahl, aber verschiedener Neutronen- und Massenzahl; Radionuklide sind instabile Nuklide, die unter Strahlung zerfallen.
- Stabile Kerne brauchen ein passendes Neutronen-Protonen-Verhältnis; oberhalb von Bismut (\(Z = 83\)) gibt es kein stabiles Nuklid mehr.
- Radioaktiv sind \(\ce{^{3}H}\), \(\ce{^{14}C}\), \(\ce{^{40}K}\), \(\ce{^{222}Rn}\), \(\ce{^{226}Ra}\) sowie die Spaltprodukte \(\ce{^{90}Sr}\), \(\ce{^{131}I}\) und \(\ce{^{137}Cs}\).
- Stabil sind \(\ce{^{1}H}\), Deuterium \(\ce{^{2}H}\), \(\ce{^{12}C}\), \(\ce{^{13}C}\), \(\ce{^{16}O}\), \(\ce{^{18}O}\), \(\ce{^{19}F}\), \(\ce{^{35}Cl}\) und \(\ce{^{37}Cl}\).
- Bei der Isotopenmarkierung ersetzt man ein Atom durch ein seltenes Isotop, etwa im \(\ce{^{13}C}\)-Harnstoff-Atemtest, der ohne Strahlung auskommt.
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Worum es geht
Viele Elemente kommen als Gemisch mehrerer Isotope vor. Manche davon sind stabil, andere zerfallen. Für die Pharmazie zählt diese Unterscheidung doppelt: Radionuklide dienen in Diagnostik und Therapie, stabile Isotope als Markierung in NMR, Massenspektrometrie und Atemtests.
Nuklide und Isotope
Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, zusammen Nukleonen genannt. Die Ordnungszahl \(Z\) gibt die Zahl der Protonen an und legt das Element fest. Die Massenzahl \(A\) zählt alle Nukleonen. Die Neutronenzahl \(N\) ergibt sich aus der Differenz.
\[A = Z + N\]
Geschrieben wird ein Kern als \(\ce{^{A}_{Z}X}\): Massenzahl oben links, Ordnungszahl unten links. Weil \(Z\) schon im Elementsymbol steckt, lässt man sie oft weg. Man schreibt also \(\ce{^{13}C}\) oder Kohlenstoff-13.
Ein Nuklid ist eine Atomart mit bestimmter Protonen- und Neutronenzahl. Isotope sind Nuklide desselben Elements: gleiche Ordnungszahl, aber verschiedene Neutronen- und damit Massenzahl. Ein Radionuklid ist ein instabiles Nuklid, das spontan unter Aussendung von Strahlung zerfällt.
Wasserstoff zeigt das am einfachsten. Alle drei Isotope haben ein Proton. Protium (\(\ce{^{1}H}\)) hat kein Neutron, Deuterium (\(\ce{^{2}H}\), D) eines, Tritium (\(\ce{^{3}H}\), T) zwei. Chemisch verhalten sich Isotope fast gleich, denn die Elektronenhülle hängt nur von \(Z\) ab. Sie unterscheiden sich in Masse und Kernstabilität.
Wann ist ein Kern stabil?
Protonen stoßen sich elektrisch ab. Neutronen halten den Kern über die starke Kernkraft zusammen, ohne die Abstoßung zu erhöhen. Stabil ist ein Kern daher nur bei passendem Verhältnis von Neutronen zu Protonen. Bei leichten Elementen liegt es nahe 1, etwa bei \(\ce{^{12}C}\) oder \(\ce{^{16}O}\). Schwere Kerne brauchen deutlich mehr Neutronen, Blei etwa 1,5 je Proton.
Trägt man \(N\) gegen \(Z\) auf, liegen die stabilen Nuklide auf einem schmalen Band. Es krümmt sich mit steigender Masse über die Diagonale \(N = Z\). Kerne mit zu vielen oder zu wenigen Neutronen liegen neben dem Band und zerfallen. Das Band endet bei Bismut (\(Z = 83\)). Alle Isotope von Polonium, Radon, Radium oder Uran sind radioaktiv. Wie und wie schnell sie zerfallen, zeigt die Einheit Zerfall und Halbwertszeit.
Isotopenmarkierung
Bei der Isotopenmarkierung ersetzt man in einem Molekül gezielt ein Atom durch ein seltenes Isotop. Das markierte Molekül reagiert praktisch wie das unmarkierte. Man findet es aber wieder: über seine Strahlung, wenn das Isotop radioaktiv ist. Ist es stabil, erkennt man es an Masse oder Kernspin. So verfolgt man den Weg eines Arzneistoffs im Körper oder den Ablauf einer Reaktion.
Radioaktive Isotope
Radionuklide gibt es natürlich und künstlich. Natürliche Radionuklide stammen aus der Entstehung der Erde und zerfallen extrem langsam. Oder sie bilden sich laufend neu. Künstliche Radionuklide erzeugt man im Reaktor oder Zyklotron, oder sie fallen bei der Kernspaltung an.
Zu den urtümlichen Radionukliden gehört Kalium-40. Es macht nur etwa 0,012 % des natürlichen Kaliums aus. Da Kalium in jeder Zelle steckt, ist auch der Mensch schwach radioaktiv. Radium-226 und Radon-222 sind Glieder der Uran-Zerfallsreihe. Radon ist ein Edelgas. Es tritt aus Gestein und Boden aus und sammelt sich in Kellern.
Tritium und Kohlenstoff-14 entstehen in der oberen Atmosphäre ständig neu durch kosmische Strahlung. Lebewesen bauen \(\ce{^{14}C}\) über \(\ce{CO2}\) ein, darauf beruht die Radiokarbon-Datierung. In der Arzneistoffforschung markiert man Wirkstoffe mit \(\ce{^{3}H}\) oder \(\ce{^{14}C}\). So lassen sich Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung verfolgen.
Strontium-90, Iod-131 und Caesium-137 sind Spaltprodukte. Kernwaffentests und der Reaktorunfall von Tschernobyl haben sie verbreitet. Im Körper folgen sie ihrer Chemie wie ein Untermieter, der sich als Verwandter ausgibt. Strontium ähnelt Calcium und lagert sich im Knochen ab. Caesium verteilt sich wie Kalium im Weichgewebe. Iod reichert sich in der Schilddrüse an, daher dient \(\ce{^{131}I}\) der Radioiodtherapie.
| Nuklid | Herkunft | Bedeutung |
|---|---|---|
| \(\ce{^{3}H}\) (Tritium) | kosmogen, künstlich | Markierung von Wirkstoffen |
| \(\ce{^{14}C}\) | kosmogen | Radiokarbon-Datierung, Markierung |
| \(\ce{^{40}K}\) | urtümlich | natürliche Strahlung im Körper |
| \(\ce{^{90}Sr}\) | Spaltprodukt | lagert sich im Knochen ab |
| \(\ce{^{131}I}\) | Spaltprodukt | Schilddrüse, Radioiodtherapie |
| \(\ce{^{137}Cs}\) | Spaltprodukt | Fallout, verteilt sich wie Kalium |
| \(\ce{^{222}Rn}\) | Uran-Zerfallsreihe | Edelgas in Innenräumen |
| \(\ce{^{226}Ra}\) | Uran-Zerfallsreihe | Mutternuklid des Radons |
Diese acht Nuklide solltest du sicher als radioaktiv erkennen. Achte besonders auf \(\ce{^{3}H}\) und \(\ce{^{14}C}\), weil Wasserstoff und Kohlenstoff daneben stabile Isotope haben. Welche Radionuklide die Nuklearmedizin nutzt, steht unter Radionuklide in Diagnostik und Therapie. Kalium-40 und Radon als Strahlenquellen der Umwelt behandelt die natürliche Untergrundstrahlung.
Stabile Isotope
Die Elemente der organischen Chemie bestehen in der Natur fast ganz aus stabilen Isotopen. Ihre schwereren Varianten sind selten, aber nicht radioaktiv. Entscheidend ist die genaue Massenzahl. Schon ein Neutron mehr kann aus einem stabilen Kern ein Radionuklid machen.
| Element | Stabile Isotope (natürlicher Anteil) | Radioaktives Isotop zum Vergleich |
|---|---|---|
| Wasserstoff | \(\ce{^{1}H}\) (99,98 %), \(\ce{^{2}H}\) (0,015 %) | \(\ce{^{3}H}\) |
| Kohlenstoff | \(\ce{^{12}C}\) (98,9 %), \(\ce{^{13}C}\) (1,1 %) | \(\ce{^{14}C}\), \(\ce{^{11}C}\) |
| Sauerstoff | \(\ce{^{16}O}\) (99,76 %), \(\ce{^{18}O}\) (0,2 %) | \(\ce{^{15}O}\) |
| Fluor | \(\ce{^{19}F}\) (100 %) | \(\ce{^{18}F}\) |
| Chlor | \(\ce{^{35}Cl}\) (ca. 76 %), \(\ce{^{37}Cl}\) (ca. 24 %) | \(\ce{^{36}Cl}\) |
Beim Wasserstoff sind Protium und Deuterium stabil, erst Tritium zerfällt. Beim Kohlenstoff sind \(\ce{^{12}C}\) und \(\ce{^{13}C}\) stabil, \(\ce{^{14}C}\) ist radioaktiv. Fluor besitzt mit \(\ce{^{19}F}\) nur ein einziges natürliches Isotop. Chlor kommt als Gemisch von \(\ce{^{35}Cl}\) und \(\ce{^{37}Cl}\) etwa im Verhältnis 3 : 1 vor. Das ergibt das typische Isotopenmuster im Massenspektrum.
Sicher als stabil einordnen solltest du \(\ce{^{1}H}\), \(\ce{^{2}H}\), \(\ce{^{12}C}\), \(\ce{^{13}C}\), \(\ce{^{16}O}\), \(\ce{^{18}O}\), \(\ce{^{19}F}\), \(\ce{^{35}Cl}\) und \(\ce{^{37}Cl}\). Achte auf die Massenzahl: Bei Wasserstoff ist erst \(\ce{^{3}H}\), bei Kohlenstoff erst \(\ce{^{14}C}\) radioaktiv.
\(\ce{^{18}O}\) ist stabil, \(\ce{^{18}F}\) dagegen radioaktiv. Gerade das kurzlebige \(\ce{^{18}F}\) steckt im PET-Tracer FDG, das stabile Fluorisotop ist \(\ce{^{19}F}\).
Stabile Isotope als Markierung
Stabile Isotope verraten sich nicht durch Strahlung. Man weist sie über ihre Masse oder ihren Kernspin nach. Die NMR misst \(\ce{^{13}C}\) und \(\ce{^{19}F}\) direkt. Deuterierte Lösungsmittel wie \(\ce{CDCl3}\) oder \(\ce{D2O}\) stören das \(\ce{^{1}H}\)-Spektrum nicht. Mit \(\ce{^{18}O}\) klärt man, welches Sauerstoffatom bei einer Esterhydrolyse ins Produkt wandert.
Was die Analytik routinemäßig als NMR-Kern, NMR-Lösungsmittel oder Isotopenmuster nutzt, ist stabil: \(\ce{^{13}C}\), \(\ce{^{2}H}\), \(\ce{^{19}F}\), \(\ce{^{35}Cl}\) und \(\ce{^{37}Cl}\).
Ein Beispiel aus der Diagnostik ist der \(\ce{^{13}C}\)-Harnstoff-Atemtest auf Helicobacter pylori. Der Keim bildet das Enzym Urease. Der Patient trinkt Harnstoff, dessen Kohlenstoff mit \(\ce{^{13}C}\) markiert ist. Ist der Keim im Magen, spaltet Urease den Harnstoff.
\[\ce{^{13}CO(NH2)2 + H2O -> ^{13}CO2 + 2 NH3}\]
Das markierte \(\ce{^{13}CO2}\) gelangt ins Blut und in die Atemluft. Ein Gerät misst den Anstieg des \(\ce{^{13}CO2}\)-Anteils, etwa per IR-Spektroskopie oder Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie. Weil keine Strahlung entsteht, eignet sich der Test auch für Kinder und Schwangere.
Quiz
Aussage 1
\(\ce{^{90}Sr}\) und \(\ce{^{137}Cs}\) entstehen als Spaltprodukte bei der Kernspaltung.
Beide wurden durch Kernwaffentests und Tschernobyl verbreitet. Strontium lagert sich im Knochen ab, Caesium verteilt sich wie Kalium.
Aussage 2
Deuterium ist ein radioaktives Wasserstoffisotop und wird deshalb nur mit Abschirmung verwendet.
Deuterium (\(\ce{^{2}H}\)) ist stabil. Radioaktiv ist erst Tritium (\(\ce{^{3}H}\)).
Aussage 3
Isotope eines Elements haben dieselbe Ordnungszahl, unterscheiden sich aber in der Massenzahl.
Isotope haben gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen und damit verschiedene Massenzahlen.
Aussage 4
\(\ce{^{19}F}\) ist das radioaktive Fluorisotop, das im PET-Tracer FDG eingesetzt wird.
\(\ce{^{19}F}\) ist das einzige stabile Fluorisotop. Im FDG steckt das radioaktive \(\ce{^{18}F}\).
Aussage 5
Beim Harnstoff-Atemtest weist man die radioaktive Strahlung des ausgeatmeten \(\ce{^{13}CO2}\) nach.
\(\ce{^{13}C}\) ist stabil. Man misst den Anteil an \(\ce{^{13}CO2}\) etwa per IR-Spektroskopie oder Massenspektrometrie.
Aussage 6
Kalium-40 ist ein natürlich vorkommendes Radionuklid, das auch im menschlichen Körper vorhanden ist.
\(\ce{^{40}K}\) stammt aus der Entstehung der Erde und macht etwa 0,012 % des natürlichen Kaliums aus.
Aussage 7
\(\ce{^{18}O}\) ist ein stabiles Sauerstoffisotop.
\(\ce{^{18}O}\) kommt mit etwa 0,2 % natürlich vor und ist nicht radioaktiv. Radioaktiv ist dagegen \(\ce{^{18}F}\).
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