Isotop er ett bestemt atom blant flere som tilhører samme grunnstoff. Forskjellige isotoper av et grunnstoff er atomer som har samme antall protoner i kjernen og derfor samme atomnummer, men som har forskjellig antall nøytroner, og derfor har forskjellig massetall.
Eksempel: Hydrogen har vanligvis en kjerne som består av bare ett proton, og har dermed massetall 1, men det kan også ha et nøytron i tillegg og dermed få massetall 2. Disse to variantene er ulike isotoper av hydrogen. Den første skrives 1H, og den andre skrives 2H.
Alle isotoper av et grunnstoff har like kjemiske egenskaper, men de har forskjellige fysiske egenskaper, og hvis de er ustabile, har de forskjellige radioaktive egenskaper.
Noe feilaktig blir isotop ofte brukt i betydningen nuklide.
Forekomst
Av 83 grunnstoffer som finnes i påviselige mengder i naturen, består 20 av bare ett atomslag. De andre grunnstoffene har 2 eller flere stabile isotoper. Flest isotoper, i alt 10, har tinn, der atomtallet Z = 50. I laboratoriene kan man, for eksempel ved bestråling med nøytroner eller med ladede partikler, frembringe et stort antall isotoper som ikke forekommer i naturen. Disse er radioaktive, og har halveringstid som kan variere fra milliondels sekund til mange år. Jod har for eksempel bare én stabil isotop, 127I, men ved laboratorieforsøk er det fremstilt 22 jodisotoper med halvliv større enn 1 sekund.
I naturen forekommer de fleste isotopene av et grunnstoff alltid i samme innbyrdes forhold. Vi sier at deres relative hyppighet er den samme. Mens massen av en bestemt isotop er meget nær nukleontallet, A, når den måles i atommasseenheter u, er atommassen som oppgis for et grunnstoff ofte langt fra heltallig. Dette skyldes at man med atommassen forstår den midlere massen av de naturlig forekommende isotopene, når disse blir vektet ut fra hvor vanlige de er.
Eksempel: Klor består av 76 prosent av isotopen 35Cl (A = 35) og 24 prosent av 37Cl (A = 37), og atommassen blir 35,45 u.
I laboratorier kan man ved spesielle metoder helt eller delvis fjerne alle isotoper av et grunnstoff bortsett fra én. Man sier da at stoffet er anriket på vedkommende isotop.
Anvendelse
For noen stoffer avhenger isotopenes relative hyppighet av stoffets forhistorie. Dette kan benyttes for å få opplysninger om hvordan stoffet, for eksempel en bergart, er blitt til. Størst rolle spiller i denne sammenhengen isotopene av de naturlig radioaktive stoffene uran, thorium og radium, og av de blyisotopene som etter hvert dannes når disse stoffene henfaller (desintegrerer).
For å bestemme alderen på organisk materiale, benyttes forholdet mellom karbonisotopene 12C og 14C. 14C blir dannet i atmosfæren, og forekommer der med en bestemt relativ hyppighet. Den samme hyppigheten gjenfinnes i levende organismer. I dødt materiale blir det ikke tilgang på 14C fra atmosfæren, og ettersom dette er en radioaktiv nuklide, med halveringstid på 5730 år, vil den langsomt forsvinne. Ut fra målinger av den relative hyppigheten av 14C kan man derfor beregne hvor lenge det er siden materialet var levende. Se også geologisk datering.
Forløpet av kjemiske og biologiske prosesser kan undersøkes ved at man i et trinn av prosessen innfører et stoff som er anriket på en bestemt isotop og etter en tid undersøker isotopforholdet på forskjellige steder, eventuelt i forskjellige fraksjoner. På grunnlag av dette kan man finne ut hvordan det innførte stoffet er omsatt i prosessen. Slike isotopundersøkelser foretas enklest ved hjelp av radioaktive isotoper som lett kan påvises med geigerteller eller andre detektorer for radioaktiv stråling. Metoden har blant annet blitt viktig innen medisinen for å undersøke hvordan bestemte organer fungerer; se isotopundersøkelse og isotopbehandling.
Spesielt i kjernefysiske prosesser er man ofte interessert i å anvende en bestemt isotop av et grunnstoff. For eksempel brukes hydrogenisotopen 2H, deuterium, som utgangsmateriale ved fusjon. Uranisotopen 235U er i motsetning til 238U fissil, og brukes som brensel i reaktorer. Begge disse isotopene forekommer med liten relativ hyppighet, henholdsvis 0,015 prosent og 0,72 prosent, og man må for å få dem i ren eller høyt anriket tilstand benytte omfattende og kostbare separasjonsprosesser.
Historie
Ved studier av radioaktivitet ble det omkring 1910 påvist at grunnstoffer fra forskjellige radioaktive serier kunne ha samme kjemiske egenskaper, men forskjellige radioaktive egenskaper (se radioaktivitet). I 1912 påviste J. J. Thomson ved å se på avbøyningen av neonioner i et magnetfelt at det ved siden av de vanlige neonionene med nukleontall A = 20 også fantes noen med nukleontall 22. F. Soddy foreslo i 1913 betegnelsen isotop på slike atomer med samme kjemiske, men forskjellige fysiske egenskaper. Etter F. W. Astons oppfinnelse av massespektrografen (1919) lot det seg snart påvise at de fleste grunnstoffene består av flere isotoper.
Isotopseparasjon
Isotoper blir skilt fra hverandre dels ved å bruke apparater, isotopseparatorer, dels i større separasjonsanlegg. Alle anvendte separasjonsmetoder beror på at forskjellen i atommasse hos de ulike isotoper av et grunnstoff bevirker forskjell i forløp av fysiske eller fysikalsk-kjemiske prosesser.
Metoder
Man skiller mellom ett-trinns separasjonsmetoder, der isotopene skilles fullstendig i en enkel prosess, og anrikningsmetoder, der man ved gjentatte prosesser oppnår et produkt som inneholder stadig mer av en bestemt isotop.
Separatorer som gir fullstendig separasjon, kan som regel bare brukes for små stoffmengder. Ved anrikningsprosesser kan større mengder behandles, men for å få et forholdsvis rent produkt av en enkel isotop må prosessen gjennomløpes så mange ganger at effektiviteten likevel blir liten.
De metodene som benyttes, bygger på forskjeller i forløpet av følgende prosesser:
- avbøyning av ioner i elektriske og magnetiske felter
- sentrifugering
- diffusjon
- kjemisk reaksjonshastighet
- vandrehastighet ved elektrolyse
Elektromagnetiske isotopseparatorer er bygd etter samme prinsipp som massespektrometre og spektrografer. De gir fullstendig separasjon av isotopene, men utbyttet blir lite. I vanlige massespektrometre separeres omkring 10–9 gram i timen. I store separatorer av denne typen kan man oppnå å separere noen få gram i timen.
Metoden ble benyttet for å produsere 235U til atombomber under andre verdenskrig. Ved Oak Ridge-anleggene i USA produserte man i 1945 ca. 3 kg 235U per dag med calutroner, som disse separatorene ble kalt. Men metoden er kostbar og energikrevende og benyttes nå bare for å separere spesielle isotoper for vitenskapelig anvendelse.
Ved gassdiffusjon gjennom en porøs skillevegg vil lette isotoper diffundere raskere enn tunge, fordi de molekylene som inneholder den letteste isotopen i middel har større termisk hastighet enn de som inneholder den tyngste isotopen. Effekten er liten, særlig for tunge atomer hvor den relative masseforskjellen mellom isotopene er liten. Ved et enkelt diffusjonstrinn for uranheksafluorid, UF6, som er den vanligste gassforbindelsen av uran, øker konsentrasjonen av 235U i forhold til 238U med mindre enn 0,5 % av den letteste isotopen. Med utgangspunkt i naturlig uran, som inneholder 0,72 % 235U, må prosessen gjennomløpes flere hundre ganger for å oppnå en anrikning til 3 % 235U, som regnes som minimum for reaktorbrensel. For å få en anrikning til 90 % 235U må prosessen gjennomløpes flere tusen ganger. Metoden er både energi- og plasskrevende, men er i stor utstrekning anvendt for fremstilling av reaktorbrensel i USA. I Europa har Frankrike i samarbeid med bl.a. Sverige basert seg på denne metoden i et større anlegg som er kalt Eurodif.
Ved termodiffusjon mellom en kald og en varm vegg, vil gassen ved den varme veggen bli anriket på den letteste isotopen, mens den tyngste isotopen søker mot den kaldeste veggen. Prosessen er mindre effektiv enn gassdiffusjon gjennom membran, men har den fordel at den også kan brukes for væsker. Den kan dessuten lettere utnyttes i mindre anlegg.
I separasjonsdyser benytter man seg av at lette isotoper diffunderer raskere ut til siden enn tunge når gass blåses ut av en dyse i en kraftig strøm. Gasstrålen deles slik at den sentrale strålen som inneholder den tunge isotopen, går én vei og randstrålen, som er anriket på den lette isotopen, ledes en annen vei. Metoden er mer energikrevende enn vanlig gassdiffusjon, men kan anvendes i mindre anlegg og krever mindre installasjonsomkostninger. Det drives utviklingsarbeid for å finne ut om metoden kan være økonomisk ved store anrikningsanlegg for uran.
Isotopsentrifuger består av en sylinder med diameter 10–15 cm som roterer med stor hastighet. Gass som skal sentrifugeres, ledes inn nær aksen. Den tyngste isotopen presses sterkest utover, mens gass som er anriket på den letteste isotopen, tappes ut innerst. Anrikningsgraden øker sterkt med økende omløpshastighet. Med 1200 omløp/s har man oppnådd en øking av konsentrasjonen av 235U med en faktor 10, dvs. fra 0,7 til 7 %, ved en enkel sentrifugering. Det største problemet som er forbundet med denne metoden, er å finne materialer som tåler den store omløpshastigheten. Forsøk med nyere fiberstoffer som tåler omløpshastigheter på opptil 1700 per s i sentrifuger av denne størrelsen, har vist seg meget lovende. Metoden er særlig utviklet som et britisk-nederlandsk-tysk samarbeidsprosjekt med betegnelsen Urenco.
I 1977 ble, som ledd i dette prosjektet, det første større sentrifugeringsanlegg for uran satt i drift i Capenhorst i England. Det regnes som sannsynlig at metoden etter hvert vil fortrenge diffusjonsmetodene som til nå har vært mest brukt.
I 1980-årene ble det utviklet en ny type sentrifuge for ioneseparering, plasmasentrifuge. I den frigjøres stoffet som skal separeres fra en katode som oppvarmes ved laserbestråling. De frigjorte ionene akselereres og ledes som et plasma inn i et magnetfelt, der de beveger seg videre i en spiralbane med stor rotasjonshastighet, 100 000 omløp i sekundet, og en baneradius på 2–3 cm. Anrikningen blir vesentlig større enn i mekaniske sentrifuger, men foreløpig er stoffmengden som kan behandles liten, og det er usikkert om den kan videreutvikles slik at den kan anvendes for store mengder av uran, som det er behov for i reaktoranlegg.
Ved kjemisk anrikning utnyttes det forhold at den kjemiske likevekten ved en reaksjon avhenger av atommassen. Av den grunn vil mengdeforholdet mellom to isotoper være forskjellig i de to reaksjonsproduktene når likevekt er oppnådd. Effekten er liten, men metoden er enkel og har utstrakt anvendelse for anrikning av karbon, nitrogen og hydrogen.
Separasjon ved elektrolyse skyldes at ioner av en tung isotop under påvirkning av et elektrisk felt beveger seg langsommere enn ioner av en lettere isotop. Elektrolyttvæsken blir derfor anriket på den tunge isotopen og elektrolyseproduktet på den lette. Metoden er energikrevende og faller kostbar, men den har fått anvendelse, idet anrikningen skjer som en biprosess hvor elektrolysen primært nyttes for andre formål. På den måten er den blant annet nyttet av Norsk Hydro til produksjon av deuterium og tungt vann som et biprodukt ved fremstilling av hydrogen som brukes for å lage ammoniakk.