Els àtoms, els blocs fonamentals de la matèria, estan composts per protons, neutrons i electrons. No obstant això, hi ha diferents versions d'un mateix element químic. Aquestes variants, conegudes com a isòtops, obren les portes a un món de diversitat atòmica i propietats úniques.
En aquest article explorarem alguns exemples notables. Des d'isòtops utilitzats en la datació de fòssils i roques antigues, fins a aquells que ens brinden energia en reactors nuclears, descobrirem les característiques i les aplicacions d'alguns d'aquests elements atòmics singulars.
Els isòtops d'urani són particularment rellevants perquè es fan servir com a combustible per a les centrals nuclears de potència que utilitzen reactors de fissió. El deuteri i el triti, que s'esmenten a continuació, són els isòtops amb què s'està treballant en els reactors de fusió nuclear.
Isòtops d'urani i plutoni: Energia i armament nuclear
Urani-235 (²³⁵U)
L'urani-235 és l'isòtop fissionable més important de l'urani i un dels pocs materials capaços de sostenir una reacció en cadena. La seva capacitat per dividir-se en nuclis més petits en ser bombardejat per neutrons el converteix en un element clau per a la generació denergia nuclear i la fabricació darmes nuclears.
Als reactors nuclears, l'urani-235 enriquit s'utilitza com a combustible, generant grans quantitats de calor mitjançant fissió nuclear controlada. Aquesta calor s'empra per escalfar aigua i produir vapor, que alhora mou turbines generadores d'electricitat. A més, l'urani-235 és utilitzat en la producció d'isòtops radioactius emprats en medicina, com el tecneci-99m, que es fa servir en gammagrafies per al diagnòstic de malalties.
A causa del seu potencial ús en armes nuclears, l'urani-235 és objecte d'estrictes regulacions i mesures de control internacional per evitar-ne la proliferació.
Urani-238 (²³⁸U)
És l'isòtop més abundant de l'urani, representant aproximadament el 99,3% de l'urani natural. Encara que no és fisionable directament, pot ser transformat en plutoni-239 mitjançant bombardeig amb neutrons en reactors nuclears, cosa que el converteix en un material estratègic per a la producció de combustible nuclear.
A més del seu ús en reactors, l'urani-238 s'empra en la datació radiomètrica de roques i minerals mitjançant el mètode urani-plom, permetent conèixer l'antiguitat de formacions geològiques. També es fa servir en la fabricació de blindatges d'alta densitat per a protecció contra la radiació i en certs tractaments de medicina nuclear, com en tomografies per emissió de positrons (PET).
Plutoni-239 (²³⁹Pu)
El plutoni-239 és un isòtop altament radioactiu i fissionable, utilitzat en armes nuclears i en reactors nuclears avançats. A les bombes atòmiques, la seva capacitat per generar reaccions en cadena descontrolades ha estat explotada en dispositius d'alt poder destructiu.
A l'àmbit pacífic, el plutoni-239 s'empra com a font d'energia en reactors de fissió i en generadors de radioisòtops utilitzats en sondes espacials, com les missions Voyager i Curiosity, on la seva desintegració radioactiva proporciona energia elèctrica en entorns on l'energia solar no és viable.
Isòtops de l'hidrogen: Claus per a la fusió nuclear i la ciència
Hidrogen-2 (²H) o deuteri
El deuteri és un isòtop estable de l'hidrogen amb un neutró addicional al seu nucli, cosa que el fa més pesat que l'hidrogen comú. La seva aplicació més rellevant és la producció d'aigua pesada (D₂O), utilitzada com a moderador de neutrons en certs tipus de reactors nuclears.
També exerceix un paper crucial en la investigació de la fusió nuclear, on s'estudia la possibilitat de combinar deuteri i triti per generar energia neta i sostenible. A més, en química i biomedicina, el deuteri es fa servir en estudis de ressonància magnètica nuclear (RMN) per analitzar l'estructura de molècules.
Hidrogen-3 (³H) o triti
El triti és un isòtop radioactiu de l'hidrogen que s'utilitza en reactors experimentals de fusió nuclear, on la seva combinació amb deuteri podria proporcionar una font d'energia gairebé il·limitada en el futur. També s'empra en dispositius d'il·luminació radioluminiscent, com ara senyals d'emergència i rellotges, a causa de la capacitat d'emetre llum sense necessitat d'energia externa.
En investigació científica, el triti és utilitzat com a traçador en estudis ambientals i biològics, permetent analitzar el moviment de l'aigua en ecosistemes o processos metabòlics en organismes vius.
Hidrogen-1 (¹H) o protio
El protio és l'isòtop més comú de l'hidrogen, representant aproximadament el 99.98% de tot l'hidrogen present a la Terra. El seu nucli consta d'un sol protó sense neutrons, fet que el converteix en l'isòtop més lleuger de tots els elements.
Aquest isòtop és essencial en nombrosos processos naturals i tecnològics. A la indústria, s'empra en la producció d'hidrogen gasós (H₂), que s'utilitza com a combustible en cel·les de combustible per generar electricitat de manera neta. També és clau en la síntesi de l'amoníac mitjançant el procés Haber-Bosch, fonamental per a la producció de fertilitzants.
Al camp de l'astrofísica, el protio és el principal component del Sol i altres estrelles, on participa en reaccions de fusió nuclear que generen l'energia que alimenta el nostre sistema solar. A més, és àmpliament utilitzat en espectroscopia de ressonància magnètica nuclear (RMN), una tècnica clau per a l'anàlisi estructural de molècules en química i biologia.
Isòtops emprats en datació i diagnòstic mèdic
Carboni-14 (¹⁴C)
Aquest isòtop radioactiu del carboni és fonamental en la datació per radiocarboni, una tècnica utilitzada per estimar l'antiguitat de restes arqueològiques i fòssils d'origen orgànic. La seva presència als éssers vius cessa quan moren, i la seva desintegració permet calcular quant de temps ha passat des de llavors. Aquesta tècnica ha estat clau en l'arqueologia i la paleontologia, ajudant a comprendre la història de la humanitat i del planeta.
Iodo-131 (¹³¹I)
El iode-131 és un isòtop radioactiu emprat en medicina nuclear per al tractament de malalties de la tiroide, com l'hipertiroïdisme i el càncer de tiroide. La seva radiació beta destrueix cèl·lules tiroïdals anormals sense necessitat de procediments invasius, sent una opció terapèutica efectiva. També es fa servir en diagnòstics de funció tiroïdal mitjançant gammagrafia.
Tecnecio-99m (⁹⁹ᵐTc)
És un dels isòtops més utilitzats en medicina nuclear a causa de la seva curta vida mitjana i la seva capacitat d'emetre radiació gamma sense afectar significativament el pacient. S'empra en gammagrafies per visualitzar òrgans i teixits, ajudant en la detecció de malalties cardiovasculars, òssies i oncològiques. El seu ús ha revolucionat el diagnòstic per imatges, permetent avaluacions precises amb un impacte mínim a l'organisme.
Aplicacions industrials i en radioteràpia
Cobalt-60 (⁶⁰Co)
El cobalt-60 és un isòtop radioactiu amb aplicacions a la radioteràpia contra el càncer. Les seves potents emissions de raigs gamma es dirigeixen a cèl·lules canceroses, danyant el seu ADN i evitant-ne la proliferació. A més, s'empra en l'esterilització de material mèdic i en la irradiació d'aliments per eliminar microorganismes sense afectar-ne la qualitat nutricional.