1.

Introduzione

Isotopo Termine con cui si indica una qualunque delle varianti di un elemento chimico, che differisce dalle altre per il numero di neutroni nel nucleo, detto numero di massa. Il parametro che caratterizza un elemento chimico in modo univoco, infatti, è il numero atomico, che rappresenta il numero di protoni presenti nel nucleo. Due atomi che contino un ugual numero di protoni e un diverso numero di neutroni, dunque, appartengono al medesimo elemento chimico; sono diversi per la massa, ma possiedono identiche proprietà chimiche e occupano quindi la medesima posizione della tavola periodica.

2.

La ricerca

Gli esperimenti effettuati agli inizi del XX secolo indicarono che talune sostanze radioattive, chimicamente indistinguibili, potevano differire una dall'altra solo nella struttura dei loro nuclei. Nel 1912 il fisico britannico Joseph Thomson dimostrò l'esistenza di due isotopi stabili del neon, uno avente massa 20 e l'altro avente massa 22. L'esperimento che lo condusse a questo risultato consisteva nell'immettere una quantità di neon in un tubo a scarica, e nell'osservare la deflessione del fascio di ioni prodotta dall'applicazione di un campo elettrico e magnetico di intensità nota. Ioni con massa diversa percorrono traiettorie con un diverso raggio di curvatura, e sono quindi facilmente rilevabili. Le ricerche che seguirono l'esperimento di Thomson provarono che il neon allo stato naturale contiene circa il 90% di neon 20 (l'isotopo con massa 20), il 9,73% di neon 22 e lo 0,27% di neon 21.

Gli studi sulla natura e sulle proprietà degli isotopi furono proseguiti con successo dal fisico britannico Francis William Aston e trassero grande vantaggio dallo sviluppo dello spettrometro di massa, uno strumento che permette di determinare con precisione la quantità di isotopi presente in un campione di sostanza.

1.

Isotopi naturali

È ormai noto che molti elementi, a eccezione di berillio, alluminio, fosforo e sodio, sono costituiti nel loro stato naturale da una miscela di due o più isotopi. Il peso atomico di un elemento è allora la media pesata dei pesi atomici dei singoli isotopi. Ad esempio, il cloro ha peso atomico 35,457 ed è formato per il 76% da cloro 35 e per il 24% da cloro 37. Tutti gli isotopi degli elementi che hanno peso atomico maggiore di 83, e che quindi si trovano oltre il bismuto nella tavola periodica, sono radioattivi, mentre gli isotopi più leggeri sono, nella maggior parte dei casi, stabili. Globalmente si conoscono circa 280 isotopi naturali stabili.

2.

Isotopi artificiali

Gli isotopi radioattivi artificiali, noti come radioisotopi, furono creati per la prima volta nel 1933 dai fisici francesi Irène e Frédéric Joliot-Curie. Possono essere preparati in acceleratori di particelle, bombardando i nuclei degli atomi stabili con particelle nucleari come neutroni, elettroni, protoni e particelle alfa.

3.

La separazione

La separazione degli isotopi di un elemento è estremamente difficile da realizzare. Impiegando metodi chimici è impossibile ottenere una separazione totale, dal momento che le caratteristiche chimiche degli isotopi sono quasi identiche. Spesso è dunque necessario ricorrere a metodi fisici, che si basano su ridottissime differenze di proprietà chimico-fisiche, determinate dal diverso numero di massa.

Un'altra possibilità consiste nello sfruttare la separazione elettrolitica e le varie procedure di scambio; esse infatti dipendono dalle velocità di reazione o dalle differenze di equilibrio, essenzialmente determinate dalla differenza delle energie di legame chimico, a loro volta funzione delle masse degli isotopi.

I primi isotopi a essere separati in quantità apprezzabili furono quelli dell'idrogeno: il deuterio (idrogeno 2) e l'idrogeno 1. Questo risultato fu ottenuto nel 1932 dal chimico statunitense Harold Urey, universalmente considerato lo scopritore del deuterio.

1.

Metodi a molti stadi

Nel periodo che precedette il 1940 furono sviluppati numerosi metodi di separazione che, sebbene non completamente efficaci, risultarono sufficienti per produrre le piccole quantità di isotopi necessarie nell'ambito della ricerca. I metodi più validi, quali la centrifugazione, la distillazione frazionata, la diffusione termica, l'elettrolisi, la diffusione gassosa e la separazione elettromagnetica, erano basati sulle piccole differenze in peso degli isotopi. È chiaro quindi che si rivelarono molto più efficaci nel caso dell'idrogeno, dove la differenza in peso degli isotopi è del 100%.

Per altri isotopi, quali ad esempio il carbonio 12 e il carbonio 13, il neon 20 e il neon 22, o l'uranio 235 e 238, le piccole differenze percentuali in numero di massa riducono considerevolmente l'entità degli effetti osservabili, e rendono molto complessa la separazione. Tutti i metodi, fatta eccezione per quello elettromagnetico, richiedono un'elaborata successione di passaggi. Al termine di ciascuno di questi, la separazione è solo parziale: il materiale originario è diviso in due frazioni, una delle quali contiene una percentuale leggermente maggiore dell'isotopo più pesante e l'altra una percentuale maggiore di quello più leggero.

Per ottenere una concentrazione apprezzabile, ovvero un arricchimento dell'isotopo desiderato, è necessario separare ulteriormente la miscela. Questo processo viene generalmente ottenuto grazie a una sequenza di numerose fasi, che procede a cascata: la frazione arricchita prodotta in ciascuna fase diventa il materiale di partenza per la separazione successiva, mentre la frazione scartata, che ancora contiene una considerevole percentuale dell'isotopo desiderato, viene aggiunta al materiale iniziale dello stadio precedente. Le attrezzature progettate per svolgere queste delicate funzioni sono programmate in modo da rendere automatico il passaggio da uno stadio all'altro.

L'intero processo è estremamente flessibile, e i diversi passaggi possono anche essere eseguiti in tempi diversi. Nel caso dell'uranio, ad esempio, poiché la quantità di uranio 235 è circa 140 volte minore rispetto a quella dell'isotopo 238, è necessario disporre di un'abbondante quantità di materiale di partenza. Al termine del processo, l'uranio 235 è quasi puro, ma il volume del materiale è di gran lunga minore di quello iniziale. Spesso è allora possibile organizzare l'apparecchio di separazione da uno stadio all'altro, in modo da compensare, con l'aggiunta di nuovo uranio precedentemente arricchito, la progressiva perdita di materiale.

1.1.

Centrifugazione e distillazione

Il metodo della centrifugazione sfrutta la piccola differenza di massa tra i vari isotopi. Il materiale iniziale viene inserito in una sorta di cilindro rotante (vedi Centrifuga), che ha l'effetto di aumentare la concentrazione dell'isotopo più pesante nella regione più esterna del cilindro. Il metodo della distillazione frazionata consiste nel distillare una miscela contenente vari isotopi; le molecole con punto di ebollizione più basso (gli isotopi più leggeri) si concentrano nel flusso di vapore e possono quindi essere raccolte.

1.2.

Diffusione termica

Il metodo della diffusione termica sfrutta la tendenza delle molecole più leggere di un liquido o di un gas a concentrarsi nelle zone più calde. Un semplice sistema per la diffusione termica consta di un alto tubo verticale, lungo il cui asse centrale è posto un filo riscaldato elettricamente alla temperatura di 500 °C; questo filo produce un gradiente di temperatura tra il centro e le pareti del tubo. Gli isotopi più pesanti tendono allora a concentrarsi nelle zone più esterne del tubo, quelli più leggeri verso il centro. Inoltre, il gas o il liquido vicino al filo tende a salire, mentre quello più esterno tende a scendere. L'effetto finale è quello di raccogliere gli isotopi più pesanti sul fondo del tubo e quelli più leggeri alla sua sommità.

1.3.

Elettrolisi

La separazione elettrolitica fu il primo metodo utilizzato per ottenere deuterio puro: riveste dunque notevole importanza storica e, ancora oggigiorno, pratica. Esso si basa sul fatto che, quando l'acqua subisce elettrolisi, l'isotopo dell'idrogeno più leggero viene prodotto per primo: è possibile quindi ottenere un arricchimento di D₂O dell'acqua residua dell'ordine del 99,8%.

1.4.

Diffusione gassosa

La diffusione gassosa fu il primo metodo, insieme al metodo elettromagnetico, usato su vasta scala per ottenere la separazione degli isotopi di uranio. Nel corso del progetto per la fabbricazione della bomba atomica, questi due metodi furono sfruttati per produrre circa 1 kg di uranio 235 al giorno, che veniva impiegato nelle ricerche sulle armi nucleari.

Il metodo della diffusione gassosa si basa sulla diversa velocità di diffusione delle molecole con pesi molecolari diversi. La velocità di diffusione di un gas infatti è inversamente proporzionale alla radice quadrata della sua massa; così gli atomi leggeri diffondono attraverso una parete porosa più velocemente degli atomi pesanti. Nella separazione degli isotopi di uranio, l'unico composto gassoso di uranio, l'esafluoruro, UF₆, viene spinto continuamente attraverso una barriera porosa. La differenza in peso fra l'uranio 235 e l'uranio 238 è di poco maggiore dell'1%, mentre quella fra i due fluoruri è leggermente minore dell'1%. Il fattore di arricchimento, che dipende dal quadrato di questa differenza, è teoricamente dello 0,43% per un processo istantaneo e dello 0,30 per un processo continuo, tuttavia in pratica si raggiunge solo un fattore di arricchimento di 0,14 a ogni passaggio. Con questo metodo, per produrre uranio 235 puro al 99% da uranio naturale – che ne contiene solo circa lo 0,7% – sono necessari circa 4000 passaggi. Il processo richiede l'uso di attrezzature e macchinari enormi, e di complessi metodi di controllo.

1.5.

Raggio laser

La separazione degli isotopi con il laser nacque subito dopo l'invenzione del laser, nei primi anni Sessanta. Ebbe notevoli miglioramenti con l'invenzione del laser cromatico a lunghezza d'onda variabile, un dispositivo che produce un fascio di fotoni in uno stretto intervallo di frequenze, selezionabile con precisione fra le frequenze tipiche dell'infrarosso e quelle dell'ultravioletto. Sfruttando questo principio di operazione, se un elemento viene previamente vaporizzato, i suoi atomi possono successivamente essere eccitati e ionizzati da un laser accuratamente sintonizzato, separando selettivamente gli isotopi.

È anche possibile ottenere la separazione in forma molecolare, con un laser che dissocia quelle molecole del composto che contengono l'isotopo desiderato. Dal 1972, questi processi, in continuo miglioramento e sviluppo, furono finalizzati all'arricchimento dell'uranio e del plutonio per gli impianti e le armi nucleari. Il metodo è costoso e di difficile realizzazione, ma in compenso richiede solo pochi stadi per la produzione di materiale estremamente arricchito.

2.

Metodo elettromagnetico

Sebbene il metodo della diffusione gassosa consenta di separare grandi quantità di uranio 235, i primi quantitativi considerevoli di questo isotopo furono ottenuti a Oak Ridge, nel Tennessee (Stati Uniti), utilizzando il metodo elettromagnetico. Un raggio ionico ottenuto da un composto di uranio viene inviato in un campo magnetico e attraversa una serie di unità separatrici. Siccome il raggio di curvatura della traiettoria degli ioni deflessi dipende dalla loro massa, ioni di masse diverse giungono al termine del percorso in tempi diversi, e ciò permette di separare i vari isotopi. Questo metodo però consente di trattare piccole quantità di materiale a ciascuna operazione. A causa di questa limitazione, esso venne abbandonato al termine della guerra e sostituito con quello di diffusione gassosa.

Per le applicazioni degli isotopi alla ricerca biologica, medica, chimica e fisica, vedi Chimica nucleare; Radiologia.