isotop

Av /Store norske leksikon ※.

Et grunnstoff kan forekomme i ulike varianter. Vi kaller disse variantene isotoper av grunnstoffet. Forskjellige isotoper av et grunnstoff har atomkjerner som er sammensatt av samme antall protoner men ulike antall nøytroner. De har derfor samme atomnummer, men forskjellig massetall.

Faktaboks

Uttale
isotˈop
Etymologi
av iso- og -top

Eksempel og egenskaper

Eksempel på isotoper

Hydrogenatomet har vanligvis en kjerne som består av bare ett proton. Det har dermed massetall 1. Noen hydrogenatomer har et nøytron i tillegg, og har dermed massetall 2. Disse to variantene er ulike isotoper av hydrogen. Den første betegnes 1H og kalles protium. Den andre betegnes 2H og kalled deuterium.

Egenskaper til isotoper

Alle isotoper av et grunnstoff har som regel like kjemiske egenskaper, men de har forskjellige fysiske egenskaper (relatert til for eksempel radioaktivitet, masse, diffusjonshastighet osv.). Isotoper til hydrogen er et unntak verdt å merke seg, da det varierende nøytrontallet mellom de ulike isotopene fører til noe ulike kjemiske og biokjemiske egenskaper for isotopene.

Isotoper av et grunnstoff kan være ustabile, d.v.s. at energiinnholdet er for stort til at de kan overleve over tid. De kan kvitte seg med denne overskuddsenergien ved å sende ut stråling. Denne strålingen kalles nukleær stråling (ofte feilaktig benevnt radioaktiv stråling – det er jo ikke strålingen i seg selv som er radioaktiv). Vi sier at disse isotopene er radioaktive. Slike radioaktive isotoper av et grunnstoff har alle forskjellige radioaktive egenskaper. Noe feilaktig blir isotop dessverre ofte brukt i betydningen nuklide.

Forekomst

Av stabile grunnstoffer i naturen, er det 20 som består av bare en isotop. To andre grunnstoffer som også er naturlig forekommende (bismuth og thorium) er radioaktive, men de har hver seg en isotop der halveringstiden er så lang at de har overlevd i betydelige mengder siden jordas tilblivelse for ca 4.6 milliarder år siden. Alle de andre grunnstoffene har to eller flere stabile isotoper. Tinn (atomtall 50) er grunnstoffet med flest stabile isotoper, i alt 10.

I laboratoriforsøk kan man, for eksempel ved bestråling av et grunnstoff med høyenergetisk elektromagnetisk stråling (gamma eller bremsstrahlung), nøytroner eller med ladede partikler (protoner, alfa-partikler m.m), frembringe et stort antall radioaktive nuklider som ikke forekommer i naturlig tilstand. Disse 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 til nå (2018) fremstilt 37 radioaktive iod-isotoper hvorav 28 har halveringstid lengre enn ett sekund.

I naturen forekommer de fleste isotopene av et grunnstoff som oftest i samme innbyrdes forhold. Det finnes forekomster med andre isotopforhold, men vi kaller disse for anormalier. Vi sier at isotopenes relative hyppighet er den samme. Massen av én bestemt isotop er meget nær nukleontallet, A, når den måles i atommasseenheter u, men den atommassen som oppgis for et grunnstoff, er ofte langt fra heltallig. Dette skyldes at atommassen for et grunnstoff er den midlere (gjennomsnittlige) massen av de naturlig forekommende isotopene, når disse blir vektet ut fra hvor vanlige de er.

Eksempel: Grunnstoffet klor består av 76 prosent av isotopen 35Cl (A = 35) og 24 prosent av 37Cl (A = 37), og atommassen blir dermed 35,45 u.

Ved eksperimenter i laboratoriet kan man med spesielle metoder (isotopseparasjon) plukke ut en spesiell av flere stabile isotoper og la denne bli dominerende i det resulterende stoffet vi da framstiller. Vi endrer altså på isotopenes relative hyppighet, eller isotopforholdet. Man sier da at stoffet er anriket på vedkommende isotop. Isotopanrikning kan også anvendes på radioaktive isotoper av et element. Slik isotopanrikning har stor praktisk betydning ved flere anvendelser innenfor forskning, medisin, energiproduksjon m.m.

Anvendelse

For aldersbestemmelser:

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 og om alderen til denne bergarten. Betydelig 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). Det finnes mer enn 20 forskjellige metoder for såkalt radiologisk aldersbestemmelse av geologisk materiale. En annen metode for aldersbestemmelse som også er viktig og ikke minst populær innen petroleumsindustrien i dag er den såkalte strontium-rubidium (Sr-Rb) metoden. I korthet gå den ut på å måle forholdet mellom den stabile nukliden 87Sr og den radioaktive lang-livete nukliden 87Rb (NB! Dette er ikke et isotopforhold men et nuklideforhold). Denne metoden er også brukt for aldersbestemmelse av Jorden.

For å bestemme alderen på karbonholdig, oftest organisk materiale, benyttes forholdet mellom karbonisotopene 12C og 14C. 14C blir kontinuerlig dannet i atmosfæren, og forekommer der med en bestemt relativ hyppighet. Den samme hyppigheten finner vi igjen 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. Med de beste analysemetodene som er tilgjengelig i dag kan man bestemme aldre på opptil ca 50 tusen år.

Som sporingsstoffer i teknologi og medisin:

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 stabil isotop av et kjemisk element som har en omsetning i prosessen. For eksempel kan dette være 18O. Man undersøker så isotopforholdet mellom 18O og 16O på forskjellige steder i prosessen som funksjon av tiden. Dette isotopforholdet, som kunne variere gjennom prosessens gang, er da en tracer (eller et sporingsstoff) for oksygens oppførsel i prosessen. Man kan dermed finne ut hvordan det innførte stoffet er omsatt i prosessen. For slike isotopforhold med stabile isotoper må man ta prøver underveis og de må analyseres i laboratoriet med avanser isotop-masseseparasjon.

I mange tilfeller kan man bruke radioaktive isotoper av elementer som er aktive i prosessen. Dette letter undersøkelsene betydelig, spesielt når man bruker radionuklider som sender ut gammastråling. Posisjon og intensitet av dette radioaktive sporingsstoffet kan lett analyseres med enkle detektorer for gammastråling som er i stand til å måle energispekteret (gamma spektroskopi) eller med mer avanserte detektorsystemer der man kan få en full avbildning av den fysiske utbredelsen av sporingsstoffet i prosessen (såkalt tomografi der akronymer er SPECT og PET). Denne metoden har blant annet blitt uvurderlig innen nukleærmedisin for å studere fysiologiske prosesser og for å stille diagnoser ved visse sykdomsforløp, ikke minst ved kreftundersøkelser. se isotopundersøkelse og isotopbehandling.

For energiproduksjon:

Nukleære batterier kan lages ved såkalt termoelektrisk energigenerering. Varmen som følger av radioaktiv nedbrytning omformes til elektrisk energi. Slike batterier er spesielt brukt som energikilde i værstasjoner i værharde strøk, i romfartøy der aktuelle radionuklider er 90Sr og 238Pu, men også i pacemakere med 147Pm eller 238Pu. Slike batterier erstattes nå etter hvert med andre energikilder, f.eks. lithium-ione batterier.

Ved storskala energiproduksjon for eksempel i kjernekraftverk brukes i dag hovedsakelig uranisotopen 235U som kan fisjonere under påvirkning av langsomme (termiske) nøytroner. Den finnes bare i en konsentrasjon på 0,72 %. Den isotopen det er mest av er 238U , men den er ikke fisjonerbar (eller fissil) med termiske nøytronenergier. Ordinære kraftreaktorer kan ikke kjøres med så lav 235U-konsentrasjon.

For framtidens mulige fusjonsreaktorer der hydrogenatomer smelter sammen til helium kjerner utvikles det ekstra mye energi. Det har vært drevet intens forskning på denne mulige energikilden i mer enn 40 år og det vil kanskje gå enda 30 nye år fra 2020 før vi får den første prototypen. Men i denne fusjonsprosessen er det deuterium som brukes. Den naturlige forekomsten av deuterium er bare på 0,015 % i hydrogen, men den må benyttes i tilnærmet ren form.

Så både for fisjonsprosessen og fusjonsprosessen gjelder det at vi må bruke isotopanriket materiale. Isotopanrikning oppnås ved anvendelse av ulike metoder for isotopseparasjon som bruker det faktum at isotoper av både hydrogen og uran har noe ulike, hovedsakelig fysiske, egenskaper. Noen av metodene er kort beskrevet nedenfor.

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 fører til en forskjell i forløpet 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. De gir nær fullstendig separasjon av isotopene, men utbyttet blir lite. I vanlige massespektrometre separeres omkring 10–9 gram i timen. I store separatorer av denne typen (calutroner, se under eksterne lenker nedenfor) 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 nuklider 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 som for eksempel masseforskjellen mellom 235U og 238U. For at metoden skal fungere for uran må uran konvertteres til molekyler som lettt lar seg gassifisere, f.eks. UF4 eller UF6. 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. Produksjonen ble nedlagt i 2012 og erstattet av et annet anlegg, Georges Besse II (startet opp i 2011), som bruker sentrifugering (se nedenfor) som anrikningsmetode. Denne metoden bruker 50 ganger mindre energi og trenger mindre kjølevann under opoerasjon.

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.

Isotopsentrifuger består av en sylinder 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. 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.

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 tungtvann som et biprodukt ved fremstilling av hydrogen som brukes for å lage ammoniakk.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg