Worin unterscheiden sich die Isotope U235 und U238?

Worin unterscheiden sich Isotope?

• Dieser Begriff stammt aus der Kernphysik, er wird allerdings auch in der Kernchemie benutzt. Grob gesagt sind Isotope besondere Spielarten ein und desselben chemischen Elementes. Aber worin unterscheiden sie sich?
• Ein Atom eines chemischen Elementes enthält den Atomkern (mit fast der gesamten Masse) sowie die Atomhülle (mit den Elektronen). Der Atomkern selbst besteht aus zwei Teilchenarten, nämlich den positiv geladenen Protonen und den Neutronen, die keine Ladung tragen.
• Die Anzahl der Protonen im Kern legt die Ordnungszahl eines Elements fest: Extrembeispiele sind der Wasserstoff mit Ordnungszahl 1 (und einem Proton im Kern) sowie das Element Uran, das Sie im Periodensystem an der Stelle 92 finden - es befinden sich also 92 Protonen im Kern.
• Je nach Element enthält der Atomkern etwas mehr Neutronen. So gibt es von fast allen Elementen mehrere Spielarten, sprich Isotope, mit zwar unterschiedlicher Neutronenzahl (stabile und natürlich auch instabile, sprich radioaktive).
• So hat beispielsweise der Wasserstoff zwei stabile Isotope, nämlich den normalen Wasserstoff (mit 1 Proton) und das sog. Deuterium (1 Proton, 1 Neutron). Ein drittes Isotop, das Tritium, mit 2 Neutronen im Kern ist nicht stabil.
• Chemisch verhalten sich die Isotope eines Elements (nahezu) gleich, sodass Chemiker sich darüber keine Gedanken machen müssen. In der Kernphysik jedoch kann es durchaus Unterschiede zwischen den einzelnen Isotopen eines Elements geben - so zum Beispiel beim Uran.

U235 und U238 - zwei unterschiedliche Uranisotope

• U235 und U238 sind die beiden wichtigsten Isotope des Elements Uran (es gibt noch weitere). Die beiden Atomkerne der Isotope haben selbstredend 92 Protonen, jedoch im ersten Fall 143 Neutronen und im zweiten Fall 146 Neutronen. Dieser Unterschied mag zunächst nicht sehr markant aussehen, hat jedoch auch bei der Stabilität und beim Zerfall der beiden Isotope Auswirkungen.
• Das schwerere Isotop kommt zu mehr als 99 % im natürlichen Uran vor, es ist sozusagen der Hauptbestandteil. Dennoch ist dieses Isotop nicht stabil, sondern zerfällt hauptsächlich durch Abgabe eines Alphateilchens in Thorium (genauer: Th-234), die natürliche Uran-Radium-Reihe beginnt mit diesem Isotop. Die Halbwertszeit dieses Zerfalls beträgt rund 5 Mrd. Jahre (sodass noch U238 aus der Anfangszeit der Erde vorhanden ist). Ein kleiner Anteil der U238-Kerne spaltet sich spontan. U238 ist nicht für den Bau von Kernkraftwerken geeignet, da es durch Einfang langsamer Neutronen nicht gespalten werden kann.
• Das zweithäufigste Isotop des Urans ist das U235, das ebenfalls noch aus der Zeit stammt, in der das Sonnensystem entstand. Es hat allerdings nur einen Anteil von weniger als 1 %. Auch das leichtere Uran-Isotop ist nicht stabil. Es unterliegt ebenfalls dem Alphazerfall, allerdings mit einer kürzeren Halbwertszeit von rund 700 Mio. Jahren. Mit diesem Isotop beginnt die natürliche Uran-Actinium-Reihe. Wirtschaftlich interessant ist dieses seltene Isotop, da es spaltbar ist (Stichwort: Anreicherung).

Worin unterscheiden sich also die beiden Isotope hauptsächlich? Zunächst einmal in ihrer Masse, die durch die unterschiedliche Anzahl der Neutronen bedingt ist, durch ihren Zerfallsweg und deren Zeit sowie in ihrer wirtschaftlichen Bedeutung als Spaltmaterial.