Un isótopo es una variante de un elemento que tiene un peso atómico diferente al de otras variantes. Excepto por la forma más común de hidrógeno, que solo tiene un protón, todos los núcleos atómicos de la materia normal están compuestos tanto de protones como de neutrones. Los isótopos de un elemento dado tienen el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. Tienen esencialmente las mismas propiedades químicas, pero difieren ligeramente en sus características físicas, como el punto de fusión y el punto de ebullición. Algunos isótopos son inestables y tienden a descomponerse en otros elementos, emitiendo partículas subatómicas o radiación; estos son radiactivos y se conocen como radioisótopos.
Cuando los científicos se refieren a un isótopo particular de un elemento, el número de masa, o el número de protones más el número de neutrones, aparece en la parte superior izquierda, junto al símbolo del elemento. Por ejemplo, la forma de hidrógeno que tiene un protón y un neutrón se escribe como 2H. De manera similar, 235U y 238U son dos isótopos diferentes de uranio. Estos también se escriben comúnmente como uranio-235 y uranio-238.
El núcleo atómico
Los neutrones son eléctricamente neutros, pero los protones tienen una carga eléctrica positiva. Dado que las cargas iguales se repelen, un núcleo que contiene más de un protón necesita algo para evitar que estas partículas se separen. Ese algo se llama fuerza nuclear fuerte, a veces denominado simplemente fuerza fuerte. Es mucho más fuerte que la fuerza electromagnética responsable de la repulsión entre protones, pero a diferencia de esta fuerza, tiene un alcance muy corto. La fuerza fuerte une a los protones y neutrones en el núcleo, pero la fuerza electromagnética quiere separar los protones.
Núcleos estables e inestables
En los elementos más ligeros, la fuerza fuerte es capaz de mantener unido el núcleo siempre que haya suficientes neutrones para diluir la fuerza electromagnética. Normalmente, en estos elementos, la cantidad de protones y neutrones es aproximadamente la misma. En elementos más pesados, tiene que haber un exceso de neutrones para proporcionar estabilidad. Sin embargo, más allá de cierto punto, no existe una configuración que proporcione un núcleo estable. Ninguno de los elementos más pesados que el plomo tiene isótopos estables.
Demasiados neutrones también pueden hacer que un isótopo sea inestable. Por ejemplo, la forma más común de hidrógeno tiene un protón y no tiene neutrones, pero hay otras dos formas, con uno y dos neutrones, llamadas deuterio y tritio, respectivamente. El tritio es inestable porque tiene demasiados neutrones.
Cuando un núcleo inestable o radiactivo se desintegra, se convierte en un núcleo de otro elemento. Hay dos mecanismos por los que esto puede suceder. La desintegración alfa ocurre cuando la fuerza fuerte no puede mantener juntos a todos los protones en un núcleo. Sin embargo, en lugar de simplemente arrojar un protón, se expulsa una partícula alfa que consta de dos protones y dos neutrones. Los protones y neutrones están estrechamente unidos y la partícula alfa tiene una configuración estable.
La desintegración beta ocurre cuando un núcleo tiene demasiados neutrones. Uno de los neutrones se convierte en un protón, que permanece en el núcleo, y un electrón, que es expulsado. En el tritio, por ejemplo, uno de sus dos neutrones, tarde o temprano, se convertirá en un protón y un electrón. Esto da un núcleo con dos protones y un neutrón, que es una forma de helio, conocida como 3He o helio-3. Este isótopo es estable, a pesar del exceso de protones, porque el núcleo es lo suficientemente pequeño como para que la fuerza fuerte lo mantenga unido.
Half-Lives
Existe una incertidumbre fundamental sobre el tiempo que tardará un núcleo inestable en descomponerse; sin embargo, para un isótopo dado, la tasa de desintegración es predecible. Es posible dar un valor muy preciso de la cantidad de tiempo que tardará la mitad de una muestra de un isótopo en particular en descomponerse en otro elemento. Este valor se conoce como vida media y puede variar desde una pequeña fracción de segundo hasta miles de millones de años. La forma más común del elemento bismuto tiene una vida media mil millones de veces mayor que la edad estimada del universo. Alguna vez se pensó que era el elemento estable más pesado, pero se demostró que era muy ligeramente radiactivo en 2003.
Propiedades
Además del problema de la radiactividad, los diferentes isótopos de un elemento muestran diferentes propiedades físicas. Las formas más pesadas, con más neutrones, suelen tener puntos de fusión y ebullición más altos, debido al hecho de que se requiere más energía para hacer que sus átomos y moléculas se muevan lo suficientemente rápido como para provocar un cambio de estado. Por ejemplo, «agua pesada», una forma de agua en la que el hidrógeno normal se reemplaza por el deuterio más pesado, se congela a 38.9 ° F (3.82 ° C) y hierve a 214.5 ° F (101.4 ° C), en lugar de 32 ° C. 0 ° C (F) y 212 ° C (100 ° F), respectivamente, para agua corriente. Las reacciones químicas pueden avanzar un poco más lentamente para isótopos más pesados por la misma razón.
Utiliza materiales de
Probablemente el isótopo más famoso sea el 235U, debido a su uso en energía nuclear y armamento. Su inestabilidad es tal que puede sufrir una reacción nuclear en cadena, liberando enormes cantidades de energía. El uranio «enriquecido» es el uranio con una mayor concentración de este isótopo, mientras que el uranio «empobrecido» tiene una concentración mucho menor.
La datación radiométrica utiliza las proporciones de diferentes isótopos para estimar la edad de las muestras, como materiales biológicos o rocas. La datación por radiocarbono, por ejemplo, utiliza el isótopo radiactivo 14C, o carbono-14, para fechar materiales que contienen carbono de origen orgánico. La edad y la historia geológica de la Tierra se conocen en gran parte comparando las proporciones de varios isótopos en muestras de rocas.
En biología y medicina, se pueden utilizar pequeñas cantidades de isótopos ligeramente radiactivos como marcadores atómicos para rastrear el movimiento de diversas sustancias, como los fármacos, a través del cuerpo. Se pueden usar isótopos más fuertemente radiactivos como fuente de radiación para destruir tumores y crecimientos cancerosos. El helio-3, que se cree que existe en grandes cantidades en la Luna, se encuentra entre los combustibles a largo plazo más prometedores para los reactores de potencia de fusión. Sin embargo, usarlo de manera efectiva requerirá primero dominar otras formas de fusión.