Isotopseparasjon

 

Atomkjerner kalles gjerne nuklider. De som har samme antall protoner, men med forskjellig antall nøytroner er isotoper (av gresk “iso topos” = samme sted, dvs. i det periodiske system over grunnstoffene). Enkelte elementer som natrium, aluminium, fosfor, mangan og gull har bare en stabil (ikke-radioaktiv) isotop, mens f.eks. tinn, som har flest, har hele ti. Noen elementer har naturlig forekommende isotoper som er radioaktive. De mest kjente er hydrogen, karbon og kalium. Alle grunnstoffer har i tillegg radioaktive isotoper som kan framstilles kunstig. Vanligvis betegner vi en isotop av et grunnstoff med massetall, A, atomnummer (= antall protoner), Z, og antall nøytroner, N. Vi har altså at A = Z + N. Siden symbolet for grunnstoffet entydig angir Z er ofte både Z og N sløyfet, og vi skriver AXy.

 

Som kjent bestemmes et grunnstoffs kjemiske egenskaper av elektronene som omgir kjernen, spesielt de ytterste som kan brukes til å danne bindinger med andre atomer. Et (elektrisk nøytralt) atom har like mange negative elektroner omkring seg som det har positive ladninger i kjernen. To isotoper av samme element adskiller seg i altså i sine masser. Det er en rekke fysiske egenskaper som er avhengige av massen. For eksempel er fordampning og frysing, vibrasjoner og kinetisk energi, dvs. hastighet, avhengige av massene. Bare isotoper av edelgasser kan være i kjemisk stabile tilstander uten bindinger til andre atom, så når vi måler endringer i isotopforhold i et grunnstoff, så er det gjerne i form av molekyler.

 

Eksempler på forbindelser hvor det er kjent at isotopforholdene varierer naturlig er vann og metan. Siden molekylene vekselvirker minst med hverandre i gassfase vil det være der hvor eventuelle isotopieffekter lettest kan spores. Kjemisk sett er det de letteste elementene hvor massedifferanser utgjør størst forskjell og det er vel nokså lett å tenke at de vannmolekyler hvor det er to 1H og ett 16O vil lettere fordampe enn et molekyl hvor det er et 2H eller 18O.

 

Omvendt vil de tyngste vannmolekylene kondenseres først. Denne effekten utnyttes i hydrologien for eksempel for å finne ut hvor grunnvann har sitt tilsig fra. Tilsvarende har hydrokarboner dannet ved termisk degradering et naturlig isotopforhold, mens bakteriell nedbrytning har et forhøyet 12C/13C forhold. Denne effekten forklares med at 12C diffunderer lettere gjennom cellemembranene enn 13C. Diffusjon er avhengig av m-1/2. Tilsvarende effekter finnes med opptak av nitrogen i planter, hvor 14N er foretrukket framfor 15N. Disse effektene er små og måles med avanserte massespektrometre. Resultatene angis i ppm (parts per million) relativt til standarder.

Arbeidsfelt