Diz-se dos átomos que têm o mesmo número atómico (mesma carga nuclear ou igual número de protões no núcleo, e que portanto constituem o mesmo elemento) mas diferem no número de massa, e que têm propriedades químicas quase idênticas, tanto menos diferentes quanto mais pesados forem os elementos. A possibilidade de que existam isótopos é explicada pelo diferente número de neutrões no núcleo. Assim, os três isótopos conhecidos do oxigénio, de pesos atómicos 16, 17 e 18, têm, todos, o número atómico igual a 8, com dois eletrões no primeiro nível de energia e seis no segundo nível, pelo que não apresentam comportamento químico diferente; em contrapartida, todos têm no seu núcleo o mesmo número de protões, mas o de neutrões é respetivamente 8, 9 e 10. A existência de isótopos explica porque é que a maioria dos elementos químicos tem pesos atómicos que não são números inteiros, dado que estes são calculados tendo em conta a quantidade relativa de cada isótopo que existe. Por exemplo, o cloro, com 75.4 % de átomos de peso atómico 35 e 24.6% de peso 37, tem um peso atómico 35.457. A existência de isótopos foi descoberta em 1912 por Joseph Thomson (1856 – 1940), através do uso do espectrómetro de massa, aperfeiçoado por Francis Aston (1877 – 1945). Este instrumento permite determinar as massas relativas de átomos e moléculas, medindo o desvio que sofrem os raios positivos, pela ação de campos elétricos e magnéticos.
Os elementos químicos são compostos por um ou mais isótopos. Os isótopos instáveis (radioativos) são de natureza primordial ou pós-primordial. Os isótopos primordiais são o produto da nucelossíntese estelar ou de outro tipo de nucleossíntese, e têm persistido até ao presente devido à sua velocidade lenta de decaimento. Os isótopos pós-primordiais foram criados pelo bombardeamento de raios cósmicos como os nuclídeos cosmogénicos, (por exemplo: trítio, carbono-14), ou pelo decaimento de um isótopo primordial radioativo para um nuclídeo radiogénico radioativo (por exemplo: de urânio para rádio). O decaimento radioativo de isótopos é um parâmetro muito importante na determinação do tempo, por isso, é chamado de “relógio geológico”. Isso se deve a uma propriedade dos radioisótopos chamado tempo de meia vida, que é o período de tempo necessário para que metade dos seus átomos sofra decaimento radioativo. O tempo de meia vida varia muito de um isótopo para outro, alguns decaem em milhões de anos, outros fazem-no em milésimos de segundos.
Somente cerca de 80 elementos químicos é que têm isótopos estáveis, e 26 destes têm um só isótopo estável. Assim, cerca de dois terços dos elementos químicos naturalmente presentes na Terra estão sob a forma de múltiplos isótopos. Existem cerca de 94 elementos químicos que se apresentam de uma forma natural na Terra, que só são detetados em pequenas quantidades (plutónio-244). Estima-se que os elementos que ocorrem naturalmente na Terra possuam 339 isótopos. Somente 254 destes são estáveis, no sentido de nunca terem sido observados a sofrer decaimento. Para além disto, detetaram-se aproximadamente 3000 isótopos radioativos não encontrados na Natureza, que foram criados em reatores nucleares e em aceleradores de partículas. Outros isótopos podem ser criados pelas estrelas ou pelas supernovas, como por exemplo o alumínio-26, que não se encontra naturalmente presente na Terra, mas que tem uma relativa abundância ao nível astronómico.
Separação de isótopos
A separação dos isótopos de um elemento é uma operação difícil devido às propriedades químicas semelhantes que apresentam. O hidrogénio pode decompor-se nos isótopos de peso 1 e 2 por eletrólise fracionada da água. As moléculas de água que possuam o hidrogénio-2 (deutério) decompõem-se com maior dificuldade. Por isso, o resíduo de uma longa eletrólise é rico em deutério. Outro isótopo do hidrogénio, o trítio, de peso 3, obteve-se por síntese. Para obter o isótopo de urânio-235, que se usa na bomba atómica, foi necessário idealizar processos de separação dos isótopos. A separação isotópica eletromagnética baseia-se no mesmo princípio do espectrómetro de massa. A de difusão gasosa, que se empregou para separar os isótopos de urânio, tem no seu fundamento na lei de Graham, segundo a qual a velocidade com que os gases atravessam os diafragmas porosos depende das suas densidades.
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