isotop

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, og vanligste, betegnes ¹H og kalles protium. Den andre betegnes ²H og kalles deuterium. En tredje variant, tritium, har to nøytroner, massetall 3 og betegnes ³H.

Alle isotoper av et grunnstoff har som regel like kjemiske egenskaper, men de har oftest forskjellige fysiske egenskaper (for eksempel når det gjelder radioaktivitet, masse, diffusjonshastighet og så videre). Isotopene av hydrogen er et unntak, for her fører det varierende nøytrontallet til noe ulike kjemiske og biokjemiske egenskaper for isotopene.

Noen isotoper av et grunnstoff kan være ustabile, det vil si 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 misvisende kalt radioaktiv stråling. Vi sier at disse isotopene er radioaktive. Slike radioaktive isotoper av et grunnstoff har alle forskjellige radioaktive egenskaper.

Noe feilaktig blir isotop ofte brukt i betydningen nuklide.

For noen stoffer avhenger isotopenes relative hyppighet av stoffets forhistorie. Dette kan benyttes for å finne ut noe om hvordan stoffet, for eksempel en bergart, er blitt til, og om alderen til denne bergarten. I denne sammenhengen er spesielt isotopene av de naturlig radioaktive stoffene uran, thorium og radium viktige, og det er også de blyisotopene som etter hvert dannes når disse stoffene henfaller (desintegrerer).

Det finnes mer enn 20 forskjellige radiologiske metoder for geologisk datering. En annen metode som også er viktig, og ikke minst populær innen modene petroleumsindustri, er den såkalte strontium-rubidium (Sr-Rb)-metoden. I korthet går den ut på å måle forholdet mellom den stabile nukliden ⁸⁷Sr og den radioaktive lang-livete nukliden ⁸⁷Rb. (Merk at dette forholdet ikke er 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, såkalt C-14-datering. ¹⁴C blir kontinuerlig dannet i atmosfæren, og der forekommer det 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.

Med de beste analysemetodene som er tilgjengelig i dag, kan man bestemme aldre på opptil ca 50 tusen år.

Forløpet av kjemiske og biologiske prosesser kan undersøkes ved at man i ett 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 kan variere gjennom prosessens gang, er da en tracer (eller et sporingsstoff) for hvordan oksygen oppfører seg 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 avansert 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 (gammaspektroskopi) 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 også artiklene om isotopseparasjon, isotopundersøkelse og isotopbehandling.

Nukleære batterier kan lages ved såkalt termoelektrisk energigenerering. Varmen som følger av radioaktiv nedbrytning, omformes til elektrisk energi. Slike batterier har spesielt blitt brukt som energikilde i værstasjoner i værharde strøk og 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, for eksempel litiumionbatterier.

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 prosent. Den uranisotopen 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 heliumkjerner, 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 prosent i hydrogen, men den må benyttes i tilnærmet ren form.

Både for fisjonsprosessen og fusjonsprosessen gjelder det altså at man trenger 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.