Els tres isòtops de l'hidrogen (tots amb 1 protó, Z = 1). Elproti:hidrogen sense neutrons, A = 1. Eldeuteri: amb 1 neutró, A = 2. Eltriti: amb 2 neutrons, A = 3.
En el llenguatge comú és habitual utilitzar la paraula isòtop per a referir-se a cada espècie caracteritzada per un determinat conjunt del valor i. 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.
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 ladesintegració delselements radioactius i el1913 fou un dels primers a arribar a la conclusió del fet que existien algunselements químics que tenien unnombre màssic diferent, però que no es podien diferenciar ni separar químicament.[2] El1921 fou guardonat amb elPremi Nobel de Química per la seva contribució al coneixement de la química de les substàncies radioactives i les seves investigacions sobre l'origen i la natura dels isòtops.[4]
A principis delsegle XX començaren a descobrir-se alguns productes intermedis de lescadenes de desintegració dels elements radioactius. Segons Frederick Soddy mateix, la història dels isòtops començà amb el descobriment delradio-tori pel químic escocèsWilliam Ramsay (1852-1916) i l'alemanyOtto Hahn (1879-1968) el1905, llavors un nou producte de la desintegració deltori que avui coneixem com atori 228. El mateix any, el químic polonèsTadeusz Godlewski (1878-1921) descobrí l'actini X (223Ra). El1907 Otto Hahn descobrí elmeso-tori un producte intermedi entre el tori i elradio-tori i el1908 trobà 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-tori esdeveniaradio-tori espontàniament (com a producte del procés de la sevadesintegració radioactiva.[5]
Variació de l'estabilitat dels isòtops segons el seu nombre atòmic i nombre màssic.
Tots els elements químics tenen un o més isòtops.[6] 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.[7] Les propietatsquímiques dels isòtops d'un mateixàtom són les mateixes, són determinades pel nombre d'electrons, no pas per la massa del nucli.[8]
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 tant,radioactiu.
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 masses per enviar un corrent de partícules carregades accelerades dins d'uncamp elèctric a 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.[11]
Ernest O. Lawrence (1901-1958) del Laboratori de Radiació de laUniversitat de Califòrnia a Berkeley convertí el seu gegantíciclotró per 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.[11]
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'urani per a fins militars a gran escala l'any 1940, i Beams rebé finançament del govern per intentar l'enriquiment d'urani mitjançant centrifugació.[11]
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.[11] 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 Manhattan optaren 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.[11]
No obstant això, a principis de la dècada de 1950, un presoner de guerra alemany a laUnió Soviètica construí 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 Atòmica es 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.[11]
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 desintegració dels isòtops de l'urani, deltori o delneptuni. Malgrat aquests són inestables, el seusperíode de semidesintegració són molt grans i es van desintegrant molt lentament en isòtops inestables que, en desintegrar-se, en generen altres fins a arribar als isòtops delplom que són estables. Per altra banda, mitjançantreaccions nuclears es 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.
Els isòtops poden ser produïts enreactors nuclears exposant materials diana adequats al flux intens deneutrons del 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.[12]
Una àmplia gamma d'isòtops es produeixen en reactors, des d'elements tan lleugers com elcarboni 14 fins 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 nuclear induïda per neutrons de dianes amburani 235, amb un temps d'irradiació de 4 a 8 dies.[12] També es produeix per irradiació amb neutrons d'una diana de Mo-98, segons la reacció:[13]
Elsacceleradors de partícules són 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.[12] La reacció delfluor 18, molt emprat enmedicina, empra aigua enriquida amb oxigen 18 que es bombardejada amb protons:[14]
Els acceleradors principalment s'utilitzen feixos deprotons ideuterons, però en principi també són possiblespartícules α i 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. L'interval d'energies i intensitats de partícules varia entre les instal·lacions (per exemple, de 10 a 100 MeV per aciclotrons comercials 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 Laboratory utilitza 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.[12]
Per exemple el Mo-99 es produeix en acceleradors mitjançant les següents reaccions, entre altres:[13]
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 unnúclid de bismut 209 ambcations zinc 70:[15]
Estudi de la reacció d'unalcohol amb unàcid carboxílic. La marcació amb oxigen 18 de l'alcohol permet diferenciar els oxígens presents i descartar el mecanisme B.
Quatre vistes d'un mànec d'un matxet de l'Edat del bronze d'asta de cérvol (Cervus elaphus) datat entre el 3000 al 1000 aC per datació per radiocarboni.
Ladatació radioactiva és 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 14 que 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 40 enargó 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 radioactiva de l'urani 238 i en el procés de desintegració radioactiva d'aquest entori 230.[17]
Lasubstitució isotòpica, es pot usar per a determinar el mecanisme d'unareacció gràcies 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.[18]
L'anàlisi isotòpica és 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 tèrmica de gasos,espectrometria de massa, mesura de les freqüències espectrals característiques en elsespectres atòmics i moleculars), bé les propietats intrínsecament nuclears (ressonància magnètica nuclear i, en el cas dels isòtops radioactius, detecció i mesura de la radiació emesa).
Per exemple restes deteixits recuperats enjaciments arqueològics, com ara ossos, dents, residus orgànics, cabells o closques marines, poden ser analitzats isotòpicament. La distribució dels isòtops delcarboni i delnitrogen s'usen per reconstruir ladieta, i els isòtops de l'oxigen solen determinar l'origen geogràfic i el paleoambient. Els isòtops d'estronci i deplom es poden utilitzar per analitzar els moviments de les poblacions, hàbits migratoris i mobilitat estacional.[20] En arqueologia és comú combinar elements en l'anàlisi isotòpic per reconstruir la dieta, el canvi en les fonts d'aigua, lesmigracions i les interaccions culturals.[21]
Elsisòtops de carboni entren en la cadena alimentària quan elsherbívors consumeixen 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 tipusC3 oC4. Fonts alimentàries potencials del tipus C3 inclouen l'arròs, elstubercles, lesfruites, elsfruits secs i moltesverdures, mentre que les fonts alimentàries del tipus C4 inclouen elmill i lacanya de sucre.[21] Els isòtops de carboni també es poden utilitzar per distingir entre fonts d'aliments marins, d'aigua dolça i terrestres.
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 unspin diferent de zero, i els núclids més usats són ¹H, ²H,13C, i31P.[22]
Els radionúclids, també tenen aplicacions importants, lescentrals nuclears i lesarmes nuclears requereixen quantitats elevades de certs núclids. Els processos deseparació isotòpica oenriquiment 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 defissió general de l'urani 235 i un exemple són:[24]
↑Soddy, Frederick «The origins of the conceptions of isotopes» (PDF) (en anglès). Nobel Lectures, Desembre 1922, pàg. 393 [Consulta: 29 agost 2021]. «Thus the chemically identical elements - or isotopes, as I called them for the first time in this letter toNature, because they occupy the same place in the Periodic Table - are elements with the same algebraic or nettnuclear charge, but with different numbers of + and - charges in the nucleus.»
↑Cianfarani, Cesidio; Cisbani, Evaristo; Orlandi, Gianluca; Frullani, Salvatore; Picardi, Luigi «F-18 production with the TOP linac injector» (en anglès). Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 562, 2, 23-06-2006, pàg. 1060–1063.DOI:10.1016/j.nima.2006.02.095.ISSN:0168-9002.
_rotated.svg)
_antler_Base_Axe_mattock_dating_from_3000-1000_BC._(FindID_961072).jpg)
