Es geht immer um… Isotope?

Endlich etwas mehr Zeit für den Blog! In diesem Eintrag werden nun mehrere unterschiedliche Ideen für Einträge, die bisher nicht verwirklicht werden konnten, zusammengefasst, die Abschnitte 1 bis 3 dienen dabei der Einleitung. Im Abschnitt 4 werden einige Anwendungen vorgestellt, die wieder einmal zeigen, wie spannend Chemie sein kann.

0. Elemente…?

Eine der größten wissenschaftlichen Leistungen ist die Aufstellung des Periodensystems mit den inzwischen insgesamt 118 bekannten Elementen. Chemisch gesehen lässt sich ein Element nicht weiter auftrennen und besitzt die gleiche Zahl an Protonen und Elektronen, die charakteristisch ist. Jedoch können sich zwei Atome des gleichen Elements durchaus unterscheiden.

1. Was sind Isotope?

Nämlich in ihrer Masse, genauer gesagt in der Masse ihres Atomkerns. Zusätzlich zu den Protonen sind im Kern noch Neutronen vorhanden, die den Kern stabilisieren, keine Ladung besitzen, allerdings jeweils einen Spin von +1/2 besitzen, was später noch wichtig wird. Und die Zahl der Neutronen kann für ein und dasselbe Element in gewissen Grenzen schwanken, ohne dass das chemische Verhalten stark beeinflusst wird, weil die chemischen Eigenschaften durch die Elektronenhülle und damit durch die Ordnungszahl bedingt sind.

2. Was bedeutet der Massenunterschied?

Allerdings ist gerade bei den leichten Elementen und vor allem beim Wasserstoff ein Isotopeneffekt sichtbar bedingt durch den geringen Massenunterschied. Beim Wasserstoff geht es soweit, dass die unterschiedlichen Isotope ¹H, ²H und ³H eigene Namen und Symbole haben: Protium bzw. H, Deuterium bzw. D und Tritium bzw. T (Zur Namensgebung von Deuterium hier im Blog).

Wird eine chemische Bindung zwischen zwei Atomen A und B mit dem aus der klassischen Physik bekannten Federmodell genähert, so lässt sich leicht der Einfluss der Masse auf die Kraftkonstante der Bindung diskutieren

mit der Kreisfrequenz und der reduzierten Masse . Je größer also die Masse, desto stärker die Bindung. Zusätzlich nimmt die Masse Einfluss auf Rotation und Translation.

3. Wie können Isotopen getrennt werden?

Die Methode, die zur Trennung von Isotopen hauptsächlich zum Einsatz kommt, ist die sogenannte Massenspektrometrie. Hierbei wird die Probe ionisiert und durch einen regelbaren Elektromagneten nach dem Verhältnis von Masse zu Ladung aufgetrennt.

4. Wo ist das wichtig?

In unterschiedlichsten Bereichen sind Isotopenunterschiede wichtig:

• Ziemlich bekannt ist die Radiokarbonmethode zur Alterbestimmung von organischem Material, die auf dem Zerfall des radioaktiven Kohlenstoffsisotops ¹⁴C gegenüber dem stabilen ¹²C basiert, das durch kosmische Strahlung in geringen Mengen gebildet wird.

• Urananreicherung ist schlicht und ergreifend die Anreicherung des natürlichen Urans an ²³⁵U mittels Zentrifugation des gasförmigen UF₆ (vgl. Stuxnet). Hoch angereichertes Uran wie im Forschungsreaktor Garching verwendet ist atomwaffenfähig.

• Bei der Echtheitskontrolle von Tequila ist die unterschiedliche Isotopendiskriminierung durch C₄– und CAM-Pflanzen von Nutzen, so dass auf die Art des verwendeten, zu Alkohol vergorenen Zuckers geschlossen werden kann. Tequila muss dabei mindestens zu 51 % aus Agavenzucker bestehen.

• An der Isotopenzusammensetzung des Knochenkollagens kann die Art der Ernährung abgelesen werden, also ob hauptsächlich Fleisch oder Pflanzen als Nahrung dienten So konnte festgestellt werden, dass der bereits in vorgeschichtlicher Zeit ausgestorbene Höhlenbär sich stark pflanzlich ernährt hat (Spektrum der Wissenschaft 07/12, 36 (kostenpflichtig)).

• Fracking ist eine hoch umstrittene Methode der Erdgasförderung, die vor allem auf Grund einer möglichen Verunreinigung des Grundwassers gefürchtet ist (Link1, Link2, Link3, ausführlicher Artikel in Spektrum der Wissenschaft 08/12, 72 (kostenpflichtig)).  So unverantwortlich die Energiekonzerne hier agieren, so interessant ist die Unterscheidung von thermogenem, also unter Hitzeinwirkung in großer Tiefe entstandenem zu biogenem, oberflächennahem, von Mikroorganismen gebildetem Methan: Bei der biogenen Bildung spielt wiederum Isotopendiskriminierung eine Rolle, das Isotop ¹³C tritt seltener auf als bei thermogenem Methan (M. Schoell, Geochim. Cosmochim. Acta 1980, 44, 649 (kostenpflichtig)).

• Die Herkunft des Ötzi: Durch die Analyse radioaktiver Nuklide von Strontium und Blei und stabiler Nuklide von Sauerstoff und Kohlenstoff in Zähnen und Knochen kann recht genau der Herkunftskreis des Gletschermannes eingeengt werden, der somit beständig südlich seines Fundortes gelebt hat (W. Müller, et al., Science 2003, 203, 862 (kostenpflichtig)). Genutzt wird hierbei die lokal unterschiedliche Isotopenverteilung, die somit einen eindeutigen Schluss auf den Wohnort zulässt.

Walter und Walternativ – und was ein 18-Jähriger damit zu tun hat

Zugegeben, es ist hart an der Grenze der Chemie. Vielleicht ist die Grenze auch schon überschritten. Doch nachdem wir Walter und Walternative kennengelernt haben, kennt wohl jeder das Wort Quantenverschränkung, die einmal den Quantencomputer möglich machen soll. Coole Sache, das!

Viel besser aber noch ist die Geschichte, heute gefunden auf Wired: 18-Jähriger veröffentlicht Paper über Quantenverschränkung – in Phys. Rev. A (hier der Link, das PDF ist ohne Paywall bei Wired zu finden, ebenso ein Poster für alle „ADHSler mit Appetit auf Quantenmechanik“ ).

Der Artikel ist in der Reihe „World’s Most Wired“, das Wired jetzt zweiwöchentlich bedienen will. Mal schauen, was auf die Quantenverschränkung folgt. Und wie geht es meinen Lesern? Auch schon als Kind ein außergewöhnliches Hobby entwickelt wie „Schneller Brüter im Kinderzimmer“ oder „Tränengassynthese in der Garage“?

Chemisches Spielzeug: Handspektroskop

Es ist wieder Zeit für Spielzeug!

Von der Firma Astromedia wird ein handliches Spektoskop als Kartonbausatz für günstiges Geld angeboten [Manufactum-Link]. Alles was man zum Bau benötigt, sind eine Schere, ein Cutter für feine Strukturen, Klebstoff, ein stumpfes Messer zum Vorritzen der Knicke und einen Streifen weißes Papier. Und natürlich etwas Zeit!

Je nach bastlerischem Geschick erhält man dann ein Spektroskop, das durchaus nicht übel ist. Das eingebaute Beugungsgitter mit 1000 Linien/mm und die Nanometer-Skala (Ablesegenauigkeit: 5 nm) verhelfen zu einem guten Spektrum. So lassen sich schnell alle möglichen Lichtquellen und deren qualitativen Unterschiede untersuchen wie das kontinuierliche Spektrum von natürlichem Licht und Glühbirnen oder das Linienspektrum von Natriumdampflampen (589/590 nm) oder modernen Energiesparlampen, wobei das Spektrum sofort die Antwort gibt, ob Quecksilber verwendet wurde (436, 546, 577/579 nm). So leicht war es noch nie Leuchtmitteln auf den Grund zu gehen!

Natürlich ist die Bauweise aus Karton nicht die stabilste. Und ob der Eignung für wirkliche Experimente wie im „Ionenlotto“ des Chemiestudiums die Bestimmung über Flammenfärbung kann kein wirkliches Urteil abgegeben werden. Es ist ein Spielzeug, das aber durchaus auch ernsthaft eingesetzt werden kann. Wissenschaftliches Spielzeug und auch Farben sehen ist immer toll!

Wie funktioniert eine CD?

Wie eine CD funktioniert, kann einem jeder erklären: Mit einem Laserstrahl wird die Oberfläche der CD abgetastet, in der die Daten gespeichert sind. Das Auslesen erfolgt also berührungslos, ein deutlicher Vorteil zu alten Speichermethoden. Ganz schlaue Leute werden dann noch erklären, dass Höhen und Vertiefungen auf der CD sind, die Null und Einsen, einen Binärcode darstellen.

Fragt man dann aber noch genauer nach, weiß keiner so recht die Antwort: Wie unterscheidet der Computer pits und lands, wie die Höhen und Vertiefungen genannt werden?

In der Grafik kann man den schematischen Aufbau einer CD erkennen. Der Laserstrahl, der von unten auf die CD trifft, fällt durch eine lichtdurchlässige Schicht Polycarbonat. Die Wellenlänge verringert sich dabei von 780 nm auf nur noch 500 nm.

An der Aluminiumschicht wird der Strahl reflektiert und schließlich detektiert mit einer Photodiode. Fällt der Strahl, der ja eine endliche Ausdehnung hat, auf den Übergang zwischen pit und land (oder umgekehrt) so kommt es zu destruktiver Interferenz: Da die Höhe des lands genau ein Viertel der Wellenlänge beträgt, ist der Laufzeitunterschied nach der Reflektion genau ein halb, die beiden Teile des Strahls löschen sich dann gegenseitig aus. Somit fällt für einen Moment kein Licht auf die Diode, dies wird als „1“ gewertet.

Die Codierung der Daten-Bits erfolgt dabei in so genannten channel-bits, aber das steht auf einem anderen Blatt. In meiner Hauptquelle, die mir sehr beim Verständnis geholfen hat, steht hierzu für interessierte Leser genaueres.

(Die Grafik enstand in eigener Arbeit, angelehnt an eine Wikimedia-Grafik unter CreativeCommons-Lizenz.)