Isótopo

Isótopos del hidrógeno

El número atómico de un átomo representa el número de protones de su núcleo. Este número es constante para cada elemento. Sin embargo, el número de neutrones puede variar, lo que da lugar a isótopos que tienen el mismo comportamiento químico pero diferente masa. Los isótopos del hidrógeno son el protio (sin neutrones), el deuterio (un neutrón) y el tritio (dos neutrones). El hidrógeno siempre tiene un protón en su núcleo, cuya carga está equilibrada por un electrón. Las imágenes que se muestran sólo son representaciones esquemáticas del átomo: en realidad el núcleo es 100.000 veces menor que el átomo, y el electrón es un millón de veces menor que el núcleo. El tamaño del átomo está determinado por el movimiento del electrón, que se produce en unas regiones del espacio llamadas orbitales.

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.

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. Véase 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.

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.

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.

Difusión térmica

Este método se basa en la tendencia de las moléculas más ligeras de un líquido o gas a concentrarse en una región caliente y de las moléculas más pesadas a concentrarse en una región fría. Una forma simple de mecanismo de difusión térmica consiste en un tubo vertical alto con un alambre calentado eléctricamente a unos 500 °C que atraviesa su centro y produce un gradiente de temperaturas entre el centro y las paredes del tubo. Los isótopos más pesados tienden a concentrarse en la parte exterior del tubo, mientras que los más ligeros se concentran en el centro. Al mismo tiempo, debido a la conducción térmica, el gas o líquido cercano al alambre tiende a subir, y el gas exterior —más frío— tiende a bajar. El efecto general es que los isótopos más pesados se recogen en la parte inferior del tubo y los más ligeros en la parte superior.

Electrólisis

El método de separación electrolítica tiene un interés histórico, pues fue el primer método utilizado para separar deuterio prácticamente puro. Cuando el agua sufre una electrólisis, el isótopo más ligero del hidrógeno tiende a salir antes, dejando atrás un residuo de agua enriquecida con el isótopo más pesado.

Difusión gaseosa

Con este método, junto con el método electromagnético, se realizó la primera separación a gran escala, aplicada a los isótopos de uranio. El problema de separar el uranio 235 del uranio 238 se planteó en 1940 después de la demostración de la fisión del isótopo 235 por medio de neutrones. En el uranio existente en la naturaleza, la proporción es de 7 partes de uranio 235 por 1.000 de uranio 238. Bajo los auspicios del proyecto de la bomba atómica, se consideraron los distintos métodos para separar isótopos, y se puso en marcha una gran operación de separación utilizando los métodos de difusión gaseosa y electromagnético, que producían aproximadamente 1 kg por día de uranio 235 para fabricar armas nucleares.

El método de difusión gaseosa se basa en la distinta velocidad de difusión de los gases con diferente masa molecular. La velocidad de difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa; al pasar por una barrera porosa, los átomos ligeros se difunden más rápidamente que los átomos más pesados. Para separar los isótopos del uranio, se bombea continuamente el único compuesto gaseoso del uranio, el fluoruro de uranio (vi), UF₆, a través de las barreras porosas. La diferencia en masa entre el uranio 235 y el uranio 238 es ligeramente superior a un 1%, pero la diferencia en masa entre los fluoruros es ligeramente inferior a un 1%. El factor de enriquecimiento que depende de la raíz cuadrada de la diferencia mencionada es, teóricamente, de 0,43% para un proceso instantáneo o de 0,30% para un proceso continuo, pero en la práctica sólo se ha conseguido un factor de enriquecimiento de 0,14%. Para producir un 99% de uranio 235 a partir de uranio natural, que sólo contiene un 0,7% del isótopo 235, se requieren 4.000 fases. El proceso necesita miles de kilómetros de tuberías, miles de bombas y motores, y mecanismos de control muy complicados.

Separación electromagnética

Aunque el método de difusión gaseosa produce grandes cantidades de uranio 235, las primeras cantidades relativamente grandes del isótopo fueron producidas por medios electromagnéticos en Estados Unidos. Se construyó un grupo de unidades separadoras en las que se pasaba un haz iónico obtenido de un compuesto de uranio, a través de un campo magnético. Puesto que el radio de curvatura de la trayectoria de los iones desviados depende de la masa del ion, los iones con masas distintas completan su trayectoria en diferentes posiciones, y así los isótopos del uranio se separan de forma apreciable. Sin embargo, sólo se puede tratar una pequeña cantidad de material en cada operación. Debido a esta limitación en la producción, el uso del proceso electromagnético para la separación de isótopos a gran escala fue abandonado en favor del proceso de difusión gaseosa.

Láser

La idea de separación y enriquecimiento de isótopos por medio de láser surgió rápidamente después de la invención del rayo láser en 1960. Seis años más tarde este método se vio incentivado con el desarrollo del láser sintonizable, que proporciona rayos de fotones en una gama estrecha y seleccionable de longitudes de onda que va del infrarrojo al ultravioleta. Según este concepto, si se vaporiza antes un elemento, sus átomos pueden ser excitados e ionizados selectivamente por medio de un rayo láser sintonizado exactamente para separar el isótopo deseado. Los isótopos también se pueden separar en forma molecular, disociando de forma selectiva con rayo láser aquellas moléculas del compuesto que contienen el isótopo deseado. Desde 1972 se han venido desarrollando estos procesos para enriquecer el uranio y el plutonio, con el fin de utilizarlos en plantas y armas nucleares respectivamente. El método es costoso y técnicamente difícil, pero sólo se requieren unas pocas fases para producir material altamente enriquecido.

Para la aplicación de los isótopos a la investigación biológica, médica, química y física, véase Física nuclear; Radiología.