Isotop bezeichnet eine Atomart eines Elements, deren Kern gleich viele Protonen, jedoch verschieden viele Neutronen enthält. Dadurch teilen alle Isotope eines Elements die Ordnungszahl, unterscheiden sich aber in der Massenzahl. Das chemische Verhalten ist nahezu identisch, weil die Elektronenhülle gleich ist. Der Name verweist auf den gleichen Platz im Periodensystem. In der Fachsprache meint Nuklid allgemein eine Atomart, weshalb Isotop teils im Sinne von Nuklid gebraucht wird. Der Begriff geht auf Frederick Soddy zurück, der 1921 für Arbeiten zu Isotopen und Radionukliden den Nobelpreis für Chemie erhielt.
Vielfalt und Stabilität
Bis auf das 2006 erstmals synthetisierte Oganesson mit der Ordnungszahl 118 besitzt jedes bekannte Element mehrere Isotope. Insgesamt sind rund 3300 Isotope beschrieben, etwa 240 davon gelten als stabil. Die übrigen zerfallen radioaktiv und wandeln sich nach kurzer oder sehr langer Zeit in andere Nuklide um. Einige Kerne galten lange als stabil, bis empfindlichere Messmethoden sehr langsame Zerfälle sichtbar machten.
Natürliche Elemente liegen meist als Mischungen vor. Unter den 91 natürlich vorkommenden Elementen haben 22 Reinelemente genau ein stabiles Isotop, die übrigen sind Mischelemente. Isotopenverhältnisse schwanken geringfügig je nach Entstehungsgeschichte. Solche Unterschiede nutzt man zur Herkunftsbestimmung. Das Atomgewicht eines Mischelements ist der gewichtete Mittelwert der Isotopenmassen in einem repräsentativen natürlichen Vorkommen.
Benennung und Schreibweise
Im Fließtext kombiniert man Elementname oder Elementsymbol mit der Massenzahl, zum Beispiel Sauerstoff 16 oder O 16, Eisen 56 oder Fe 56. Als Formelzeichen wird die Massenzahl links oben an das Symbol gesetzt. Die Kernladungszahl kann, falls relevant, links unten ergänzt werden, etwa bei der Darstellung von Kernreaktionen. Ein angehängtes m kennzeichnet ein Kernisomer. Steht dahinter eine Zahl, dient sie der Unterscheidung mehrerer isomerer Zustände.
Isotopeneffekte in der Chemie
Isotope besitzen die gleiche Elektronenhülle, daher sind die Reaktionen gleichartig. Unterschiede zeigen sich in den Geschwindigkeiten, die von der Masse abhängen. Dabei ist bei schweren Elementen der relative Massenunterschied klein. Folglich verhalten sich Uran 238 und Uran 235 chemisch praktisch gleich; entsprechend erfolgt die Trennung überwiegend physikalisch. Dagegen sind bei Lithium 7 und Lithium 6 Trennungen sowohl physikalisch als auch chemisch möglich. Die stärksten Effekte hingegen zeigt Wasserstoff: Das häufigste Isotop heißt Protium, ²H heißt Deuterium (Symbol D), ³H heißt Tritium (Symbol T). Aufgrund der großen relativen Massendifferenz treten messbare Unterschiede auf, zum Beispiel bei der Elektrolyse, bei der sich deuteriumhaltiges Wasser im Rest anreichert. In der Biologie nutzt man diese Effekte, bis hin zu deuterierten Arzneistoffen.
Mischelemente und Reinelemente
Viele auf der Erde vorhandene Nuklide sind stabil oder besitzen Halbwertszeiten, die im Maßstab des Erdalters groß sind. Folglich heißen solche langlebigen natürlichen Kerne primordial. Demgegenüber entstehen in Zerfallsreihen kurzlebige Tochterprodukte. Insgesamt gelten etwa 245 Nuklide als stabil. Seit Bismut 209 im Jahr 2003 als radioaktiv erkannt wurde, ist damit Blei 208 das schwerste stabile Nuklid, und Blei zugleich das schwerste Element mit stabilen Isotopen. Zudem besitzt Zinn zehn natürliche Isotope. Außerdem hat Xenon neun natürliche Isotope, davon acht stabile. Schließlich heißen Elemente mit genau einem natürlichen Isotop Reinelemente; insgesamt besitzen 19 stabile sowie drei langlebig instabile Elemente diese Eigenschaft.
Beispiele aus Natur und Technik
Wasserstoff
Deuterium dient in Schwerwasserreaktoren als Moderator. Tritium ist radioaktiv, entsteht in der Atmosphäre durch kosmische Strahlung sowie in Kernreaktoren und wurde zeitweise in selbstleuchtenden Farben genutzt. Für künftige Fusionsreaktoren gelten Deuterium und Tritium als Brennstoffkandidaten.
Helium
3He ist ein Fermion, 4He ein Boson. Diese Eigenschaft wird in Mischungskryostaten genutzt, um besonders tiefe Temperaturen zu erzeugen.
Sauerstoff
Das Verhältnis von 18O zu 16O liefert Hinweise auf vergangene Temperaturen und dient als natürlicher Tracer in aquatischen Systemen.
Uran
Uran 235 dient als Brennstoff in Kernkraftwerken und wird in Natururan angereichert. Nahezu reines 235U findet in bestimmten Kernwaffen Verwendung.
Isotope in Analytik und Forschung
Isotope lassen sich in hochaufgelösten optischen Spektren an kleinen Linienverschiebungen erkennen. Zur Bestimmung der Isotopenzusammensetzung dient vor allem die Massenspektrometrie, für Spurenisotope die Beschleuniger Massenspektrometrie. Radioaktive Isotope identifiziert man häufig über Zerfallsprodukte oder die abgegebene ionisierende Strahlung. In der NMR spielt die Isotopenwahl eine zentrale Rolle. 12C ist NMR inaktiv, daher untersucht man Kohlenstoff oft über 13C.
Isotopenmarkierungen klären Reaktionsmechanismen und Metabolismen. Darüber hinaus ermöglichen die weltweit unterschiedlichen Isotopenverhältnisse des Wassers die Überprüfung von Herkunftsangaben, etwa bei Wein oder Käse. Ebenso erlaubt die Analyse von 13C Isotopomeren Rückschlüsse auf intrazelluläre Stoffflüsse. Außerdem werden in der Ökologie die Verhältnisse von 13C zu 12C, 15N zu 14N sowie 34S zu 32S genutzt, um Stoffflüsse und Trophieniveaus zu bestimmen. Schließlich dienen stabile Isotope auch in der Medizin als natürliche Tracer.
Hydrologie und Geochemie
In der Hydrologie nutzt man Isotopenverhältnisse zur Interpretation von Prozessen im Wasserkreislauf über und unter der Erdoberfläche. Als Referenz dient häufig Vienna Standard Mean Ocean Water mit der Abkürzung VSMOV. Die Geochemie untersucht Isotope in Mineralen, Gesteinen, Böden, Wässern und in der Atmosphäre.
Darstellung
Isotope eines Elements stehen im Periodensystem am gleichen Platz. Zur Übersicht werden sie in Nuklidkarten getrennt gezeigt, die nach Protonen und Neutronenzahlen ordnen und Stabilität sowie Zerfallsarten auf einen Blick erschließen.
Der vorliegende Text stellt eine vollständig überarbeitete und neu strukturierte Fassung des Wikipedia-Artikels „Isotop“ dar. Er unterliegt der Lizenz CC BY-SA 3.0 und enthält keine inhaltlichen Ergänzungen über die Originalquelle hinaus. Stand: 24.10.2025