Isótopo

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Introducción

Isótopo, una de las dos o más variedades de un átomo que tienen el mismo número atómico, constituyendo por tanto el mismo elemento, pero que difieren en su número másico. Puesto que el número atómico es equivalente al número de protones en el núcleo, y el número másico es la suma total de protones y neutrones en el núcleo, los isótopos del mismo elemento sólo difieren entre ellos en el número de neutrones que contienen. Ver Átomo.

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Investigación

A principios del siglo XX se realizaron experimentos que indicaban que las sustancias radiactivas químicamente inseparables se podrían diferenciar sólo en la estructura de sus núcleos. El físico británico Joseph J. Thomson demostró en 1912 la existencia de isótopos estables pasando neón a través de un tubo luminoso y desviando los iones de neón por medio de campos eléctricos y magnéticos; esto demostró que el elemento estable neón existe en más de una forma. Thomson encontró dos isótopos del neón de números másicos 20 y 22. Posteriores experimentos demostraron que el neón existente en la naturaleza contiene un 90% de neón 20 (el isótopo de número másico 20), un 9,73% de neón 22 y un 0,27% de neón 21. Numerosos científicos continuaron las investigaciones sobre los isótopos, en concreto el físico británico Francis William Aston. El trabajo para detectar y estudiar los isótopos se intensificó con el desarrollo del espectrómetro de masas.

Actualmente se sabe que la mayoría de los elementos en estado natural consisten en una mezcla de dos o más isótopos. Entre las excepciones se encuentran el berilio, el aluminio, el fósforo y el sodio. La masa atómica química de un elemento es el promedio de las masas atómicas individuales, o números másicos, de sus isótopos. Por ejemplo, el cloro, cuya masa atómica es 35,457, está compuesto por cloro 35 y cloro 37, en una proporción del 76 y el 24% respectivamente. Todos los isótopos de los elementos con un número atómico superior a 83 (por encima del bismuto en el sistema periódico) son radiactivos, y también lo son algunos de los isótopos más ligeros, por ejemplo, el potasio 40. Se conocen unos 280 isótopos estables (no radiactivos) existentes en la naturaleza. Ver Radiactividad.

Los isótopos radiactivos artificiales, conocidos también como radioisótopos, fueron producidos por vez primera en 1933 por los físicos franceses Irène y Frédéric Joliot-Curie. Los radioisótopos se obtienen bombardeando átomos existentes en la naturaleza con partículas nucleares como neutrones, electrones, protones y partículas alfa, utilizando aceleradores de partículas.

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Separación

La separación de los isótopos de un mismo elemento es difícil. La separación total en una sola fase por métodos químicos es imposible, porque los isótopos de un mismo elemento tienen las mismas propiedades químicas. Los métodos físicos se basan generalmente en las minúsculas variaciones de sus propiedades físicas, debidas a las diferencias en la masa de los isótopos. Los primeros isótopos que se separaron en cantidades apreciables fueron los del hidrógeno: el deuterio (hidrógeno 2) y el hidrógeno común (hidrógeno 1). Este logro se le adjudica al químico estadounidense Harold C. Urey, que descubrió el deuterio en 1932.

Antes de 1940 se utilizaron varios métodos para separar pequeñas cantidades de isótopos en el curso de las investigaciones. Entre los más eficaces se encontraban: el método de centrifugación, la destilación fraccionada, la difusión térmica, la electrólisis, la difusión gaseosa y la separación electromagnética. Todos estos métodos dependen de la pequeña diferencia en masa de los isótopos a separar, y son más efectivos con los isótopos del hidrógeno, en los que la diferencia en masa entre las dos sustancias llega a ser de un 100%; en cambio, la diferencia en masa entre los isótopos del carbono, el carbono 12 y el carbono 13, o entre los isótopos del neón, el neón 20 y el neón 22 sólo llega a ser de un 10%. Lo mismo ocurre con los isótopos del uranio, el uranio 235 y el uranio 238, en los que la diferencia es sólo de un 1%. Esta menor variación de masa hace más difícil la separación. En todos los procesos, excepto en el electromagnético que es el único procedimiento de una sola fase, la separación de los isótopos implica una serie de fases. El resultado de una fase individual es la separación del material original en dos fracciones, una de las cuales contiene un porcentaje ligeramente mayor del isótopo más pesado que la mezcla original, y la otra contiene un porcentaje ligeramente mayor del isótopo más ligero.

Para conseguir una concentración apreciable en el isótopo deseado, es necesario volver a separar la fracción enriquecida. Este proceso se realiza normalmente en cascada, en un gran número de fases. La fracción enriquecida de cualquier fase se convierte en la materia prima de la fase siguiente, y la fracción reducida, que todavía contiene un considerable porcentaje del isótopo deseado, se mezcla con la materia prima de la fase anterior. Incluso el material reducido de la fase original se utiliza en etapas adicionales cuando la materia prima (por ejemplo el uranio) escasea. Existe un mecanismo diseñado especialmente para que el flujo de una fase a otra sea automático y continuo.

Este procedimiento en cascada es muy flexible, y si se desea, se pueden cambiar las unidades de una fase a otra. Por ejemplo, en la separación del uranio, al principio hay que manejar una gran cantidad de material, pues el uranio 235 que se pretende obtener está mezclado con una cantidad de uranio 238 unas 140 veces mayor; al final del proceso, el uranio 235 está casi puro, y el volumen de material es mucho menor. Además, con sólo cambiar las tuberías, es posible modificar las fases para compensar la adición, en una fase intermedia, de material enriquecido anteriormente por un proceso diferente.

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Centrifugación y destilación

En el método de centrifugación el mecanismo está dispuesto de forma que el vapor fluya hacia abajo en la parte exterior del cilindro giratorio, y hacia arriba en la región central del cilindro. El efecto centrífugo produce mayor concentración de los isótopos pesados en la región exterior (véase Centrifugadora). En la separación por destilación fraccionada, se destila una mezcla que contiene varios isótopos. Las moléculas de la fracción que tiene el punto de ebullición más bajo (los isótopos más ligeros) tienden a concentrarse en el flujo de vapor, de donde se recogen.