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Der Kern jedes Elementaratoms enthält Protonen, Neutronen und Elektronen. Obwohl jedes Element normalerweise die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen aufweist, kann die Anzahl der Neutronen variieren. Wenn Atome eines einzelnen Elements wie Kohlenstoff eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen und damit unterschiedliche Atommassen haben, werden sie als „Isotope“ bezeichnet. Wie viele andere Elemente hat Kohlenstoff ein sehr gemeinsames Isotop und einige andere, die sehr selten sind.
Kohlenstoff-12
Das häufigste Kohlenstoffisotop ist Kohlenstoff-12. Sein Name bedeutet, dass sein Kern sechs Protonen und sechs Neutronen für insgesamt 12 enthält. Auf der Erde macht Kohlenstoff-12 fast 99 Prozent des natürlich vorkommenden Kohlenstoffs aus. Wissenschaftler verwenden Atommasseneinheiten (amu), um die Masse von Elementen zu messen. Carbon-12 hat eine Menge von genau 12.000. Diese Zahl ist der Referenzstandard für die Messung der Atommasse aller anderen Isotope.
Andere Isotope
Die anderen beiden natürlich vorkommenden Kohlenstoffisotope sind Kohlenstoff-13, der ungefähr 1 Prozent aller Kohlenstoffisotope ausmacht, und Kohlenstoff-14, der ungefähr zwei Billionen von natürlich vorkommendem Kohlenstoff ausmacht. Die "13" in Kohlenstoff-13 zeigt an, dass der Isotopenkern sieben statt sechs Neutronen enthält. Kohlenstoff-14 enthält natürlich acht Neutronen. Wissenschaftler haben auch künstliche Kohlenstoffisotope im Bereich von Kohlenstoff-8 bis Kohlenstoff-22 hergestellt, aber die praktische Verwendung dieser instabilen Isotope ist begrenzt.
Kohlenstoff-13
Lebende Organismen bevorzugen Kohlenstoff-12 gegenüber Kohlenstoff-13 und absorbieren daher unverhältnismäßig viel Kohlenstoff-12. So können Wissenschaftler das Verhältnis von Kohlenstoff-13 zu Kohlenstoff-12 in Eiskernen und Baumringen untersuchen, um frühere Konzentrationen von atmosphärischem Kohlendioxid abzuschätzen. In ähnlicher Weise können Klimatologen dieses Verhältnis im Meerwasser verfolgen, um die Absorptionsraten des Ozeans für Kohlendioxid zu untersuchen.
Kohlenstoff-14
Im Gegensatz zu Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 ist Kohlenstoff-14 radioaktiv. Mit der Zeit zerfallen radioaktive Isotope und setzen eine gewisse Menge Strahlung frei. Jeder lebende Organismus nimmt Kohlendioxid auf, das eine geringe Menge an Kohlenstoff-14 enthält. Nachdem der Organismus gestorben ist, zerfällt das Kohlenstoff-14 in seinem Körper allmählich. Da Wissenschaftler die Rate kennen, mit der Kohlenstoff-14 zerfällt, können sie die Kohlenstoff-14-Gehalte in antiken Organismen untersuchen, um abzuschätzen, wann sie gelebt haben. Diese Technik nennt man Kohlenstoffdatierung.