Atlas & Maps

Definición de Isótopo

0

 (De iso- y el gr. tÕpo$ ‘lugar’); sust. m.

1. [Física] Especies de un mismo elemento químico que difieren en la masa de sus núcleos.

 [Técnica]

El núcleo de cada elemento queda perfectamente caracterizado por el número de neutrones y protones que posee. Variando el número de uno de ellos se tendrá, por tanto, una especie atómica distinta. El término nucleido se usa para denominar a cada una de las combinaciones que pueden formarse fijando el número de protones y neutrones.

Los átomos cuyos núcleos poseen el mismo número de protones (número atómico; Z) pero distinto número de neutrones (número másico; A), reciben el nombre de isótopos. Estas especies poseen el mismo número de electrones en la corteza, es decir, presentan propiedades químicas muy similares y ocupan la misma casilla en la tabla periódica de los elementos químicos. De aquí proviene el término isótopo: del griego  que significa ‘igual’ y  que significa ‘lugar’ y fue propuesto por el científico inglés F. Soddy en 1990.

Los primeros datos experimentales sobre la existencia de isótopos se obtuvieron en los años 1906-1910 al estudiar las propiedades de la radiactividad, descubierta por H. Becquerel unos años antes. Ciertos procesos podían transformar un elemento químico en otro distinto. Dichos elementos se supuso que eran elementos químicos nuevos, y se les asignó nombres precisos, como por ejemplo el ionio, observado junto al uranio. Posteriormente se observó que el ionio, una vez mezclado con el torio, era químicamente inseparable de él. La identificación de propiedades químicas, que forma parte de la definición de elemento químico, forzó a considerar el ionio como una forma nueva de torio en vez de una especie química distinta. Así, F. Soddy pudo sugerir que “elementos químicos de distinto peso atómico pueden poseer idénticas propiedades químicas”, incluyendo en su artículo no sólo las nuevas especies descubiertas, sino también los elementos considerados estables.

La confirmación experimental de la evidencia isotópica fué posible gracias al desarrollo del espectrógrafo de masas, realizado por F. Aston, estudiante del gran J. J. Thomson en el labortorio Cavendish.

Estabilidad isotópica

En total existen unos doscientos noventa isótopos estables, es decir, aquellos que no se alteran durante largos períodos de tiempo, o que si sufren alguna alteración, ésta no llega ponerse de manifiesto mediante medidas. En los nucleidos estables, la relación de neutrones a protones se mantiene dentro de unos determinados límites, según puede observarse en la figura.

La relación N/Z para la cual se mantiene la estabilidad, crece con el número atómico, y es aproximadamente igual a 1 para los elementos ligeros y a 1,56 para aquellos de elevado peso atómico.

Se denominan isótopos radiactivos o radisótopos, a los nucleidos inestables, es decir, aquellos en los que la relación de neutrones a protones no se encuentra dentro de los límites de estabilidad. Estos isótopos sufren transformaciones espontáneas que tienen lugar durante un tiempo determinada y característico de cada radisótopo, expresado por la llamada constante de desintegración, y se transforman en núclidos estables. En el año 1981 ya se conocían doscientos setenta y seis isótopos estables, pertenecientes a ochenta y tres elementos naturales, y más de dos mil isótopos radiactivos de ciento siete elementos naturales y artificiales, obtenidos por síntesis.

De la mayoría de los elementos se conocen dos o más isótopos estables. Los elementos, tal como se encuentran en la naturaleza y salvo los formados por su único isótopo estable, se presentan como una mezcla de isótopos, de la que entran a formar parte todos los isótopos estables del elemento correspondiente y en algunas ocasiones algún isótopo radiactivo, pero que por mantenerse inalterado durante un período de tiempo muy largo puede ser considerado como estable.

La estabilidad de cada núcleo atómico puede representarse de otra forma: la masa de un núcleo dado es siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que lo forman. La diferencia entre ambas cantidades, según la famosa relación de Einstein E = mc2, es la energía de ligadura del mismo. La relación que expresa la estabilidad nuclear será la energía de ligadura por nucleón, E/A. Cuanto mayor sea esta cantidad, mayor estabilidad presentará el núcleo.

Un núcleo dado puede modificar entonces su estado y pasar a otro más cercano, en la gráfica de estabilidad, a la relación N/Z idónea, realizando diferentes procesos radiactivos: emitiendo partículas partícula alfa, partícula beta, radiación gamma o fotones o realizando fisión espontánea.

La mayor o menor probabilidad de cada uno de estos fenómenos, que constituye una definición de la vida media de cada isótopo, viene dada por la probabilidad de que cada una de las partículas que se encuentren en el núcleo realice un proceso de efecto túnel; TÚNEL, EFECTO mecanocuántico a través de la barrera de potencial nuclear que las mantiene confinadas.

Véase Átomo.

Abundancia isotópica

El peso atómico de un elemento químico de la tabla periódica se refiere al peso de la masa promedio de todos los átomos de un elemento, tomando en consideración la abundancia isotópica, es decir, al porcentaje con que cada isótopo entra a formar parte del elemento natural.

La abundancia relativa en el universo de los diferentes elementos químicos y sus isótopos más estables se ha encontrado constante no sólo en nuestro planeta, sino también en muestras tomadas de meteoritos provinientes del espacio exterior. Esta composición constante parece indicar que, al menos en la vía láctea, todos los elementos se formaron en el mismo proceso, cuyo origen se estima hace mil millones de años. La teoría más comúnmente aceptada de este origen afirma que, a partir de una nube de hidrógeno gaseoso que fue condensándose por atracción gravitatoria hasta alcanzar densidades tales que aumentaron la temperatura de la misma a unos diez millones de grados, los distintos elementos fueron producidos por procesos de fusión nuclear, de manera análoga a los que se producen en la actualidad en nuestro Sol.

La dependencia de la composición isotópica de los elementos naturales respecto de la edad de las muestras y de las condiciones de su formación subyace en la base de los métodos aplicados para determinar la edad de las rocas y de yacimientos de minerales.

Los elementos que únicamente poseen isótopos radiactivos reciben el nombre de radielementos. Éstos son, salvo algunas excepciones, todos los elementos con número de orden superior a 83, incluyendo los transuránidos.

Utilización de los radisótopos

Desde el descubrimiento de la radiactividad artificial ha tomado un incremento extraordinario el uso de los radisótopos, y las aplicaciones de los mismos se han multiplicado constantemente en los más diversos campos. En una gran cantidad de trabajos los radisótopos son prácticamente imprescindibles, y en multitud de procesos permiten alcanzar una precisión, a la vez que una economía, muy superior a la conseguida mediante métodos convencionales.

El uso de los isótopos está basado en la interacción de la radiación con la materia y de su comportamiento en ésta, pudiendo establecerse tres grupos bien diferenciados:

-La acción de la materia sobre las radiaciones.

Al penetrar las radiaciones en la materia experimentan efectos de dispersión, absorción, reducción de energía, etc., y midiendo la radiación transmitida podemos determinar las características del material con el que las radiaciones han interaccionado.

-La acción de las radiaciones sobre la materia.

Las radiaciones originan en los materiales sobre los que inciden fenómenos como los de ionización, excitación, cambio molecular, destrucción de microorganismos, etc.

-Trazadores.

La utilización de los isótopos radiactivos como trazadores se basa en mezclarlos o incorporarlos a una determinada sustancia y seguir su comportamiento en ella detectando las radiaciones que emiten.

Separación de isótopos

Muchos de los elementos químicos se encuentran en la naturaleza como mezcla de varios isótopos. Los isótopos de un elemento dado tienen idénticas propiedades químicas pero diferentes propiedades físicas debido a las diferencias de sus masas de los isótopos individuales. Además, es posible separar físicamente los isótopos de un elemento para producir materias de composición isotópica diferente a la que se encuentra en la naturaleza.

Aunque estos procesos de separación son bastante difíciles y caros de llevar a cabo, no se diferencian demasiado de las operaciones normales empleadas en los procesos industriales químicos. La separación de isótopos es particularmente importante en el campo de la energía nuclear, debido a que diferentes isótopos presentan diferentes modos de desintegración y distinta actividad radiactiva. Por ejemplo, el uranio 235 es utilizado como combustible para los reactores nucleares en cadena y el deuterio gas es un combustible posible para los reactores termonucleares.

El proceso más apropiado para separar los isótopos de un elemento dado depende de la masa del elemento y de la cantidad que se desea separar: La separación electromagnética en un espectrómetro de masas se utiliza para conocer las cantidades de isótopos que integran un elemento dado. Si se quieren obtener separadamente cantidades pequeñas de isótopos, se recurre a la difusión térmica. Éste método aprovecha la mayor tendencia de las moléculas más ligeras de un fluido a concentrarse en las regiones más calientes. Las moléculas más pesadas se concentran principalmente en las regiones más frías. Para llevar a cabo la separación a gran escala de isótopos estables, los mejores procesos son aquellos que presentan una eficacia termodinámica mayor. Procesos de separación reversible como la destilación y el intercambio químico se utilizan para separar isótopos ligeros como el deuterio. Para isótopos pesados como el uranio, sin embargo, no se obtiene una separación apreciable en procesos reversibles y se utilizan otros como la difusión gaseosa, donde se aprovecha la diferencia de velocidad de difusión de sustancias químicas cuyo peso es diferente. La tecnología del láser también se utiliza para la separación de isótopos, si el elemento está en fase de vapor, sus átomos pueden ser excitados e ionizados de manera selectiva por un rayo láser para poder separar el isótopo deseado.

Separación de isótopos radiactivos

Puesto que los isótopos radiactivos están presentes en poca cantidad entre isótopos estables, se han utilizado para su aislamiento métodos especiales, aunque estrechamente relacionados con los métodos clásicos de las técnicas normales de trabajo. Los principales métodos de separación son los siguientes:

1. Coprecipitación por formación de cristales mixtos: Se utiliza cuando el isótopo radiactivo está presente en mínima cantidad (isótopo traza o trazador). Se suele precipitar en este caso el isótopo radiactivo con un agente inductor de la precipitación denominado portador, éste es un compuesto del mismo elemento o de otro que tiene características químicas similares. El mecanismo de la coprecipitación es el de la formación de cristales mixtos o de la sustitución isomorfa, que consiste en la constitución de un cristal normal del elemento portador en el que se han producido sustituciones submicroscópicas de iones del isótopo radiactivo. El fenómeno de la sustitución isomorfa puede ocurrir cuando dos iones tienen la misma carga y aproximadamente igual radio; éste es el caso, por ejemplo, de la extracción del radio de los minerales de uranio, en la que se utiliza como portador sulfato de bario en un solución que contiene sales de uranio. Aunque este método es muy eficaz, al final de las operaciones la presencia de portador puede no ser deseable. Dada la gran semejanza química entre el isótopo traza y el portador, se recurre en estos casos a otros tipos de separación.

2. Coprecipitación por adsorción: Una superficie sólida puede adsorber una sustancia en estado líquido o gaseoso, la fracción adsorbida aumenta con la disminución de la concentración, por lo cual este fenómeno es muy importante debido al pequeño margen de concentración en que está presente todo isótopo traza.

3. Intercambio iónico: las resinas cambiadoras de cationes se muestran muy útiles en la separación de mezclas complejas de radioelementos (especialmente de los derivados de los procesos de fisión nuclear). Las resinas son polímeros sintéticos orgánicos que contienen grupos sulfónicos, carboxílicos y fenólicos cuyos protones pueden ser substituidos por otros cationes en una reacción de intercambio como la siguiente:

Me n+ + nRH –Rn Me + nH+

En su aplicación práctica, la resina ácida, generalmente en pequeños gránulos, se introduce en una columna para formar una capa sobre la que se coloca la mezcla de los radisótopos que se han de separar. La mezcla debe tener una composición y un pH tales, que todos los cationes sean adsorbidos en una capa delgada en la parte superior de la columna de resina. Luego se hacen pasar disoluciones que contienen un ácido y un agente complejante para producir una desorción diferencial de los iones introducidos, que así saldrán sucesivamente por la base de la columna. La introducción de disoluciones de agentes complejantes tiende a mantener disueltos preferentemente algunos cationes, aumentando así el poder separador.
Este procedimiento tiene la ventaja de que permite la posibilidad de trabajar con pequeñas concentraciones y realizar las operaciones a distancia cuando la radiactividad del material alcanza niveles peligrosos.

3. Oxidación-reducción: la facilidad de oxidación y reducción de los iones varía de un elemento a otro. Por esto, con una disolución que contenga una mezcla de isótopos radiactivos es posible reducir a estado metálico un isótopo o varios, lo cual permite su separación. Estas reducciones suelen ser de tipo electroquímico. El procedimiento de separación por oxidación-reducción se utiliza especialmente en combinación con otros métodos de separación.

4. Volatilización: Algunos radioelementos son volátiles en estado elemental o en forma de compuestos y, con las oportunas precauciones, esta propiedad puede ser usada para su separación. La técnica de la volatilización ha sido utilizada para enriquecer en isótopo 235 el uranio destinado a los reactores nucleares. Éste es transformado en hexafluoruro volátil (UF6) que, a través de una larga serie de difusiones, permite efectuar la separación de los isótopos. Finalizada la segunda guerra mundial, se construyó en Estados Unidos una gran instalación de enriquecimiento de uranio por este método.

5. Extracción de disolventes: Agitando un soluto con dos líquidos no miscibles entre sí, se obtiene un reparto de soluto en las dos fases. Operando con pares de disolventes adecuados se puede lograr la separación entre dos sustancias.

Aplicaciones de los radioisótopos

Si un isótopo tiene propiedades características que permiten reconocerlo, puede actuar como signo de identificación para seguirlo a través de una secuencia de transformaciones químicas o físicas. La masa y la radiactividad permiten diferenciar a un isótopo de otros y cada una de estas dos propiedades puede ser utilizada para seguir un elemento en los diferentes procesos.

Al isótopo utilizado para este fin se le llama trazador o isótopo marcado y el elemento que contiene el isótopo particular se llama elemento marcado. Se suelen utilizar bastante los trazadores radiactivos utilizando dos metodologías: la dilución isotópica y la activación.

El método de dilución isotópica fue aplicado por primera vez en 1913 por F. Paneth para determinar la solubilidad de sales poco solubles y tiene importantes aplicaciones en biología y medicina. Por ejemplo, para determinar el volumen de la sangre de un animal, se introduce en un sujeto (donante) cierta cantidad de un ion de hierro radiactivo (por ejemplo el Fe59). Después de un período en el que se alcanza el equilibrio, se coge una muestra de sangre y se determina su actividad. La muestra se inyecta a otro sujeto (receptor) del cual, después de un período de tiempo, se saca una parte de sangre, de la que se mide su actividad. De la comparación entre las dos actividades se obtiene la dilución experimentada por la muestra inyectada y, por consiguiente, el volumen de sangre del receptor.

El método de activación consiste en someter la muestra a un bombardeo nuclear con el fin de obtener radiactividad artificial. Este método tiene una aplicación limitada ya que su éxito depende de la posibilidad de activar específicamente uno de los componentes de la mezcla que se ha de analizar. Con este método es posible identificar mínimas cantidades de galio en el hierro, de cobre en el níquel y de hafnio en el circornio.

La aplicación de los isótopos radiactivos a la medicina se divide principalmente en dos categorías: el uso de los trazadores como métodos de diagnóstico para localizar enfermedades y disfunciones y la utilización de isótopos como agentes terapéuticos en el tratamiento de ciertas condiciones anormales del organismo. En ambos casos la posibilidad de aplicación deriva del hecho de que algunos elementos son absorbidos preferentemente por determinados tipos de tejidos.

Por otra parte, la utilización de isótopos radiactivos permite seguir el transporte de un mineral nutritivo desde las raíces hasta las hojas de una planta y su distribución sucesiva por todo el vegetal, con la ayuda de una radioautografía, que es una especie de fotografía que se obtiene al exponer una placa sensible a las radiaciones procedentes del vegetal que ha absorbido la sustancia radiactiva. Ésto permite obtener informaciones importantes sobre la acción antiparasitaria, insecticida, fungicida, etc.

Las aplicaciones industriales de los radisótopos son muy numerosas, cabe destacar: la medición del nivel de un líquido desde el exterior de éste disponiendo de un foco emisor de rayos x, medidores de espesores de láminas, el estudio de mecanismos de fricción y eficacia de lubricantes (introduciendo un isótopo radiactivo en una parte determinada de un mecanismo y midiendo la acumulación de material radiactivo depositada en un punto concreto, se puede saber la fricción entre dos piezas del mismo), también se puede analizar que le sucede a un metal cuando es sometido a tratamientos especiales incorporando isótopos radiactivos, etc.

Temas relacionados

Átomo
Radiactividad
Energía nuclear.
Fisión

ISÓTOPO

Fuente: Britannica

So, what do you think ?