Isòtop

Els tres isòtops de l'hidrogen (tots amb 1 protó, Z = 1). Elproti:hidrogensense neutrons, A = 1. Eldeuteri:amb 1 neutró, A = 2. Eltriti:amb 2 neutrons, A = 3.

Elsisòtopsd'unelement químicsón àtoms amb el mateixnombre atòmic$Z$(nombre deprotons), però diferentnombre màssic$A$(protons mésneutrons). És a dir, els seusnuclis atòmicstenen el mateix nombre deprotons$Z$però diferent nombre deneutrons$A-Z$.

El nom, basat en els mots grecs ἰσο-,iso-,mateix, i τόπος,topos,lloc, fou adoptat pelradioquímicanglèsFrederick Soddy,a partir d'un suggeriment de lametgessaiescriptoraMargaret Todd,a causa del fet que els isòtops ocupen el mateix lloc en lataula periòdica dels elements.

En el llenguatge comú és habitual utilitzar la paraula isòtop per a referir-se a cada espècie caracteritzada per un determinat conjunt del valor$Z$i$A$.Estrictament, tal espècie hauria de ser denominadanúclid,i reservar-se la paraula isòtop per als núclids que pertanyen a un mateix element. Així, els núclids carboni 12 i carboni 14 són isòtops de l'element carboni.

Història

Frederick Soddy.

L'existència dels isòtops fou descoberta a conseqüència de l'estudi de les substàncies radioactives naturals. Frederick Soddy (1877-1956) treballà amb el físic britànicErnest Rutherford(1871-1937) estudiant ladesintegraciódelselements radioactiusi el1913fou un dels primers a arribar a la conclusió del fet que existien algunselements químicsque tenien unnombre màssicdiferent, però que no es podien diferenciar ni separar químicament.El1921fou guardonat amb elPremi Nobel de Químicaper la seva contribució al coneixement de la química de les substàncies radioactives i les seves investigacions sobre l'origen i la natura dels isòtops.

A principis delsegle XXcomençaren a descobrir-se alguns productes intermedis de lescadenes de desintegraciódels elements radioactius. Segons Frederick Soddy mateix, la història dels isòtops començà amb el descobriment delradio-toripel químic escocèsWilliam Ramsay(1852-1916) i l'alemanyOtto Hahn(1879-1968) el1905,llavors un nou producte de la desintegració deltorique avui coneixem com atori 228.El mateix any, el químic polonèsTadeusz Godlewski(1878-1921) descobrí l'actini X(²²³Ra). El1907Otto Hahn descobrí elmeso-toriun producte intermedi entre el tori i elradio-torii el1908trobà que en realitat n'eren dos productes. Es feren molts intents d'aïllar elradio-tori,però tots els esforços foren debades. Finalment, s'arribà a la conclusió del fet que no era possible separar-lo per mitjans químics i es trobà que elmeso-toriesdeveniaradio-toriespontàniament (com a producte del procés de la sevadesintegració radioactiva.

Variació de l'estabilitat dels isòtops segons el seu nombre atòmic i nombre màssic.

Característiques

Tots els elements químics tenen un o més isòtops.La majoria dels elements naturals són formats per diversos isòtops, les seves proporcions no canvien mai a conseqüència dereaccions químiques,són només el resultat dereaccions nuclears.Les propietatsquímiquesdels isòtops d'un mateixàtomsón les mateixes, són determinades pel nombre d'electrons, no pas per la massa del nucli.

En canvi, les propietatsfísiquesdelsnuclis atòmicspoden ser molt diferents. Per exemple, el temps devida mitjanadels isòtops 12 i 14 delcarboniés molt diferent, cosa que es pot aprofitar per datar mostres d'interèshistòricoarqueològicd'origenorgànic.Els isòtops només poden ser separats per procediments físics (difusió,centrifugació,espectrometria de masses,destil·lació fraccionadaielectròlisi). Hom classifica els isòtops enestables,amb unavida mitjanade l'ordre de 3 000 milions d'anys, iinestablesoradioactius,que emeten radiacions i es converteixen en altres isòtops o elements.

Si la relació entre el nombre de protons i de neutrons no és l'apropiat per a obtenir l'estabilitat nuclear, l'isòtop és inestable, i per tantradioactiu.

Isòtops més abundants
en elSistema solar

Isòtop	Nuclis per milió
Hidrogen1	705.700
Hidrogen 2	23
Heli4	275.200
Heli 3	35
Oxigen16	5.920
Carboni12	3.032
Carboni 13	37
Neó20	1.548
Neó 22	208
Ferro56	1.169
Ferro 54	72
Ferro 57	28
Nitrogen14	1.105
Silici28	653
Silici 29	34
Silici 30	23
Magnesi24	513
Magnesi 26	79
Magnesi 25	69
Sofre32	396
Argó36	77
Calci40	60
Alumini27	58
Níquel58	49
Sodi23	33

Nomenclatura

Els isòtops poden anomenar-se de tres maneres diferents indicant sempre el nom de l'element o el seusímbol químic i el seunombre màssic:

• Amb el nom de l'element, un espai, i a continuació el nombre màssic, com aracalci 48ourani 235.
• Amb el símbol de l'element, un guió i el nombre màssic. És el cas de Ca-48 o U-235.
• Amb el símbol de l'element i el nombre màssic situat com a superíndex a l'esquerra del símbol. Pels isòtops anteriors seria⁴⁸Ca i²³⁵U.

Separació d'isòtops

Separació electromagnètica

Esquema d'unespectròmetre de masses.

El mètode electromagnètic de separació d'isòtops de l'urani fou estudiat inicialment pel físic estatunidencAlfred Nier(1911-1994) de laUniversitat de Minnesota.Nier emprà unespectròmetre de massesper enviar un corrent de partícules carregades accelerades dins d'uncamp elèctrica través d'un fortcamp magnètic.Els àtoms de l'isòtop més lleuger (U-235) es desviarien més pel camp magnètic que els de l'isòtop més pesat (U-238), resultant en dos corrents que podrien ser recollits per receptors diferents.

Ernest O. Lawrence(1901-1958) del Laboratori de Radiació de laUniversitat de Califòrnia a Berkeleyconvertí el seu gegantíciclotróper aconseguir aquesta forma de separació de manera més eficient. Aquest model conduí al posterior disseny i construcció de l'enorme complex aOak Ridge,Tennessee.Degut al seu cost exorbitant, la separació electromagnètica fou gairebé abandonada després de la guerra per a la producció d'armes, però jugà un paper important en el desenvolupament del camp de lamedicina nuclear.

Centrifugació

Esquema d'una centrifugadora per a la separació d'isòtops.

Una centrifugadora fou el primer dispositiu utilitzat per separar isòtops. El clor 35 fou separat del clor 37 el 1934 pel físic estatunidencJesse Beams(1898-1977) de laUniversitat de Virgínia.Els físics nord-americans consideraren que la centrifugadora era la millor opció per a l'enriquiment de l'uraniper a fins militars a gran escala l'any 1940, i Beams rebé finançament del govern per intentar l'enriquiment d'urani mitjançant centrifugació.

La força centrífuga en un cilindre que gira ràpidament sobre el seu eix vertical podria separar una mescla gasosa de dos isòtops. Això és a causa que l'isotop més lleuger, l'U-235, seria menys afectat per l'acció i podria ser extret a la part superior central del cilindre. Un sistema en cascada format per milers de centrifugadores podria produir una mescla enriquida.Tanmateix la centrifugadora de Beams requeria una enorme quantitat d'energia i només podia funcionar durant un curt període temps per la qual cosa no era adequada per a la producció industrial. Els científics delProjecte Manhattanoptaren el 1944 per la difusió gasosa en lloc de les centrifugadores de gas com a mètode principal per a la separació dels isotops d'urani.

No obstant això, a principis de la dècada de 1950, un presoner de guerra alemany a laUnió Sovièticaconstruí una centrifugadora eficient i duradora. Mentre les centrifugadores es consideraven una causa perduda en l'enginyeria nuclear nord-americana, els científics estrangers continuaven treballant en aquest àmbit. Els físics soviètics van pensar, amb encert, que la difusió gasosa no tenia sentit, ja que consumiria més energia del que podria produir.Max Steenbeck(1904-1981) iGernot Zippe(1917-2008), presoners de guerra d'Alemanya i Àustria treballant en un camp de presoners de guerra realitzaren diverses millores en el disseny de Beams. El rotor de la centrifugadora es fe girar sobre la punta d'una agulla, com una baldufa, eliminant així la fricció, mentre que la centrifugadora es feia girar mitjançant un camp electromagnètic. Després de ser alliberat del camp de presoners, Steeneck tornà a Alemanya de l'Est, mentre que Zippe comercialitzà la seva centrifugadora per tot el món. A finals de la dècada de 1950, Zippe treballà com a investigador a laUniversitat de Virgínia,on els oficials de laComissió d'Energia Atòmicaes maravellaren de la simplicitat del seu disseny i la tasca per construir una centrifugadora progressà amb molta facilitat. Aquest disseny s'estengué per esdevenir el mètode principal d'enriquiment d'urani i continua sent-ho avui en dia.

Producció

Cadena de desintegració delneptuni(el neptuni 237 es troba en traces als dipòsits d'urani per captura de neutrons de l'urani 238).

Hi ha isòtops que es troben a la naturalesa perquè són estables i altres són inestables però es van produint per lescadenes de desintegraciódels isòtops de l'urani,deltorio delneptuni.Malgrat aquests són inestables, el seusperíode de semidesintegraciósón molt grans i es van desintegrant molt lentament en isòtops inestables que, en desintegrar-se, en generen altres fins a arribar als isòtops delplomque són estables. Per altra banda, mitjançantreaccions nuclearses poden sintetitzar isòtops inestables que no existeixen a la naturalesa. Aquests, en desintegrar-se donen lloc a altres isòtops fins que s'arriba a un que sigui estable.

Producció mitjançant reactors

Piscina d'un reactor nuclear.

Els isòtops poden ser produïts enreactors nuclearsexposant materials diana adequats al flux intens deneutronsdel reactor durant un temps apropiat. En reactors del tipus de piscina moderats amb aigua lleugera, el nucli compacte és accessible des de la part superior de la piscina. Els materials diana a irradiar són tancats en càpsules, carregats en muntatges senzills i baixats a posicions predeterminades del nucli per a la irradiació. Posteriorment, les dianes irradiades són carregades en recipients adequats de protecció i transportades als laboratoris de química calenta per al seu processament. En reactors moderats ambaigua pesant,del tipus de tanc, alimentats amburani,s'utilitzen muntatges sofisticats que contenen nombroses càpsules diana per a les irradiacions. En ambdós enfocaments, la qualitat i l'activitat específica dels isòtops produïts depenen tant del material diana com de les condicions de irradiació.

Una àmplia gamma d'isòtops es produeixen en reactors, des d'elements tan lleugers com elcarboni 14fins a tan pesants com elmercuri 203,amb irradiacions que varien des de minuts fins a setmanes. Per exemple, elmolibdè 99,progenitor del radioisòtop de diagnòstic mèdic àmpliament utilitzatTc-99m,generalment es produeix mitjançantfissió nuclearinduïda per neutrons de dianes amburani 235,amb un temps d'irradiació de 4 a 8 dies.També es produeix per irradiació amb neutrons d'una diana de Mo-98, segons la reacció:

$${\ce {^98_42Mo + ^1_0n -> ^99_42Mo + \gamma}}$$

Producció mitjançant acceleradors

Ciclotró emprat pels Premis Nobel francesosIrène CurieiFrédéric Joliot.

Elsacceleradors de partículessón utilitzats per bombardejar dianes de producció amb feixos de nuclis carregats que impacten en les dianes per produir una àmplia gamma d'isòtops, incloent molts nuclis rics en protons (F-18, C-11) que no estan disponibles en reactors.La reacció delfluor 18,molt emprat enmedicina,empra aigua enriquida amb oxigen 18 que es bombardejada amb protons:

$${\ce {^18_8O + ^1_1p -> ^18_9F + ^1_0n}}$$

Els acceleradors principalment s'utilitzen feixos deprotonsideuterons,però en principi també són possiblespartícules αi feixos d'ions més pesants. Alternativament, es poden bombardejar dianes primàries per a produir neutrons ofotons,que després impacten en la diana de producció per a formar els isotops d'interès. El rang d'energies i intensitats de partícules varia entre les instal·lacions (per exemple, de 10 a 100 MeV per aciclotronscomercials dedicats a la producció d'isòtops, o fins a 200 MeV en alguns acceleradors de recerca). Per exemple, el Brookhaven Linac Isotope Producer (BLIP) alBrookhaven National Laboratoryutilitza un feix de protons de 200 MeV i 140 µA procedent del Alternating Gradient Synchrotron per a bombardejar mostres i produir Ge-68/Ga-68, Sr-82/Rb-82, així com Zn-65, Mg-28, Fe-52 i Rb-83. Un altre exemple és la Isotope Production Facility (IPF) alLos Alamos National Laboratory,que utilitza un feix de protons de 100 MeV i 250 µA procedent del LANSCE linac per a produir Ge-68/Ga-68 i Sr-82/Rb-82, així com quantitats menors d'Al-26 i Si-32.

Per exemple el Mo-99 es produeix en acceleradors mitjançant les següents reaccions, entre altres:

$${\ce {^100_42Mo + ^1_1p -> ^99_42Mo + ^1_1p + ^1_0n}}$$$${\ce {^100_42Mo + ^1_0n -> ^99_42Mo + 2 ^1_0n}}$$$${\ce {^100_42Mo + \gamma -> ^99_42Mo + ^1_0n}}$$

Isòtops d'elements químicsmolt pesants i altament inestables se sintetitzen en acceleradors emprant cations d'elements lleugers que impacten contra nuclis d'elements pesants. Per exemple la síntesi del nihoni 278 es realitzà bombardejaren unnúclidde bismut 209 ambcationszinc 70:

$${\ce {_83^209Bi + _30^70Zn -> _113^278Nh + _0^1n}}$$

Aplicacions dels isòtops

Existeixen nombroses aplicacions que utilitzen les diferències de propietats entre diferents isòtops del mateix element.

Marcatge isotòpic

Estudi de la reacció d'unalcoholamb unàcid carboxílic.La marcació amb oxigen 18 de l'alcohol permet diferenciar els oxígens presents i descartar el mecanisme B.

Amb elmarcatge isotòpic,s'usen isòtops inusuals com a marcadors dereaccions químiquesper conèixer el mecanisme que segueixen. Els isòtops afegits reaccionen químicament igual que els presents, però després es poden identificar perespectrometria de massesoespectroscòpiainfraroja. Si es fan servirradioisòtops,es poden detectar també gràcies a les radiacions que emeten i la tècnica s'anomena marcatge radioactiu o marcatge radioisotòpic. Són molt emprats enbioquímicaiquímica orgànicaels isòtops establesdeuteri,carboni 13,nitrogen 15ioxigen 18.

Datació radioactiva

Quatre vistes d'un mànec d'un matxet de l'Edat del bronzed'asta de cérvol (Cervus elaphus) datat entre el 3000 al 1000 aC per datació per radiocarboni.

Ladatació radioactivaés una tècnica similar, però en la qual es compara la proporció de certs isòtops d'una mostra, amb la proporció que es troba en la natura. Potser la més important és ladatació per radiocarboni,basada en el càlcul de la quantitat decarboni 14que conté la resta arqueològica d'un ésser viu i en el fet que aquest isòtop, després de la mort, es redueix a la meitat cada 5 730 anys. En geologia es fa servir ladatació per potassi-argó,tècnica de datació absoluta de materials geològics formats per solidificació basada en el procés de transformació radioactiva delpotassi 40enargó 40.També és molt utilitzada en arqueologia ladatació per urani-tori,tècnica de datació radioactiva basada en la ruptura de l'equilibri secular de lasèrie radioactivade l'urani 238i en el procés de desintegració radioactiva d'aquest entori 230.

Substitució isotòpica

Lasubstitució isotòpica,es pot usar per a determinar el mecanisme d'unareacciógràcies a l'efecte cinètic isotòpic.Aquest efecte és la disminució de la velocitat de reacció que es produeix quan en una reacció se substitueix un àtom d'un reactiu per un isòtop seu més pesant. Es distingeix entre l'efecte isotòpic cinètic primari, que s'observa quan l'etapa determinant de la velocitat comporta el trencament d'un enllaç en el qual està implicat l'isòtop pesant, i l'efecte isotòpic cinètic secundari, que s'observa encara que en el transcurs de la reacció no es trenqui cap enllaç que impliqui l'isòtop pesant. Ambdós tipus es deuen als canvis que provoca la substitució isotòpica en l'energia vibracional de punt zero del sistema reactant.

Anàlisi isotòpica

Cova des Moro(Ferreries). L'estudi dels isòtops deplomde restes metàl·liques trobades a laCova des Pas,aFerreries,Menorca,on s'ha pogut determinar que la majoria de peces s'havien fabricat a Menorca, dues aSardenyai una aAndalusia.

L'anàlisi isotòpicaés la tècnica de determinació de l’abundància relativa dels diversos isòtops d’un cert element en un producte donat. L’anàlisi isotòpica utilitza, bé les propietats que depenen només de la diferència de massa entre els isòtops (mesura de densitats, mesura deconductivitat tèrmicade gasos,espectrometria de massa,mesura de les freqüències espectrals característiques en elsespectres atòmicsi moleculars), bé les propietats intrínsecament nuclears (ressonància magnètica nucleari, en el cas dels isòtops radioactius, detecció i mesura de la radiació emesa).

Per exemple restes deteixitsrecuperats enjaciments arqueològics,com ara ossos, dents, residus orgànics, cabells o closques marines, poden ser analitzats isotòpicament. La distribució dels isòtops delcarbonii delnitrogens'usen per reconstruir ladieta,i els isòtops de l'oxigensolen determinar l'origen geogràfic i el paleoambient. Els isòtops d'estroncii deplomes poden utilitzar per analitzar els moviments de les poblacions, hàbits migratoris i mobilitat estacional.En arqueologia és comú combinar elements en l'anàlisi isotòpic per reconstruir la dieta, el canvi en les fonts d'aigua, lesmigracionsi les interaccions culturals.

Elsisòtops de carbonientren en la cadena alimentària quan elsherbívorsconsumeixen plantes, i els isòtops d'oxigen s'introdueixen en la cadena alimentària en consumir aigua lliure i l'aigua continguda en la dieta. Examinant la proporció dels isòtops¹²C/¹³C,és possible determinar si els animals van menjar predominantment plantes dels tipusC3oC4.Fonts alimentàries potencials del tipus C3 inclouen l'arròs,elstubercles,lesfruites,elsfruits secsi moltesverdures,mentre que les fonts alimentàries del tipus C4 inclouen elmilli lacanya de sucre.Els isòtops de carboni també es poden utilitzar per distingir entre fonts d'aliments marins, d'aigua dolça i terrestres.

Ressonància magnètica nuclear

Espectre de RMN dels diferents hidrògens del compost representat.

Diferents varietats de l'espectroscòpia,es basen en les propietats úniques de núclids específics. Per exemple, l'espectroscòpia perressonància magnètica nuclear(RMN), permet estudiar només isòtops amb unspindiferent de zero, i els núclids més usats són ¹H, ²H,¹³C, i³¹P.

Espectroscòpia Mössbauer

L'espectroscòpia Mössbauer,també es basa en les transicions nuclears de núclids específics, com el⁵⁷Fe.

Energia nuclear

Els radionúclids, també tenen aplicacions importants, lescentrals nuclearsi lesarmes nuclearsrequereixen quantitats elevades de certs núclids. Els processos deseparació isotòpicaoenriquiment isotòpic,representen un desafiament tecnològic important ja que pocs isòtops són fissibles. Per exemple a la natura l'isòtop més abundant (99,27 %) de l'urani és l'urani 238 que no és fissible, però sí ho és l'urani 235, que és poc abundant (0,72 %). La reacció defissiógeneral de l'urani 235 i un exemple són:

$${}_{92}^{235}\mathrm {U} +{}_{0}^{1}n\rightarrow {}_{92}^{236}\mathrm {U} \rightarrow X+Y+k~{}_{0}^{1}n$$$${}_{92}^{235}\mathrm {U} +{}_{0}^{1}n\rightarrow {}_{92}^{236}\mathrm {U} \rightarrow {}_{36}^{93}\mathrm {Kr} +{}_{56}^{140}\mathrm {Ba} +3~{}_{0}^{1}n$$

Vegeu també

• Taula d'isòtops
• Índex de pàgines d'isòtops
• Núclid
• Isòbar

Bibliografia

• Feynman,Richard P.;Leighton,Robert B.;Matthew,Sands.The Feynman Lectures on Physics(en anglès). Volum I: Mainly Machanics, Radiation, and Heat. EdicióNew Millennium.Basic Books, Perseus Books Group, 2010.ISBN 978-0-465-02414-8.

Enllaços externs

• Taula periòdica amb informació detallada dels isòtopsArxivat2004-08-30 aWayback Machine.(anglès)

Viccionari