miniatura|Els tres isòtops de l'hidrogen (tots amb 1 protó, Z = 1). El proti: hidrogen sense neutrons, A = 1. El deuteri: amb 1 neutró, A = 2. El triti: amb 2 neutrons, A = 3. Els isòtops d'un element químic són àtoms amb el mateix nombre atòmic (nombre de protons), però diferent nombre màssic (protons més neutrons). És a dir, els seus nuclis atòmics tenen el mateix nombre de protons però diferent nombre de neutrons .
El nom, basat en els mots grecs ἰσο-, iso-, mateix, i τόπος, topos, lloc, fou adoptat pel radioquímic anglès Frederick Soddy, a partir d'un suggeriment de la metgessa i escriptora Margaret Todd, a causa del fet que els isòtops ocupen el mateix lloc en la taula periòdica dels elements.
En el llenguatge comú és habitual utilitzar la paraula isòtop per a referir-se a cada espècie caracteritzada per un determinat conjunt del valor i . Estrictament, tal espècie hauria de ser denominada núclid, i reservar-se la paraula isòtop per als núclids que pertanyen a un mateix element. Així, els núclids carboni 12 i carboni 14 són isòtops de l'element carboni.
Història miniatura|Frederick Soddy. L'existència dels isòtops fou descoberta a conseqüència de l'estudi de les substàncies radioactives naturals. Frederick Soddy (1877-1956) treballà amb el físic britànic Ernest Rutherford (1871-1937) estudiant la desintegració dels elements radioactius i el 1913 fou un dels primers a arribar a la conclusió del fet que existien alguns elements químics que tenien un nombre màssic diferent, però que no es podien diferenciar ni separar químicament. El 1921 fou guardonat amb el Premi Nobel de Química per la seva contribució al coneixement de la química de les substàncies radioactives i les seves investigacions sobre l'origen i la natura dels isòtops.
A principis del segle XX començaren a descobrir-se alguns productes intermedis de les cadenes de desintegració dels elements radioactius. Segons Frederick Soddy mateix, la història dels isòtops començà amb el descobriment del radio-tori pel químic escocès William Ramsay (1852-1916) i l'alemany Otto Hahn (1879-1968) el 1905, llavors un nou producte de la desintegració del tori que avui coneixem com a tori 228. El mateix any, el químic polonès Tadeusz Godlewski (1878-1921) descobrí l'actini X (223Ra). El 1907 Otto Hahn descobrí el meso-tori un producte intermedi entre el tori i el radio-tori i el 1908 trobà que en realitat n'eren dos productes. Es feren molts intents d'aïllar el radio-tori, però tots els esforços foren debades. Finalment, s'arribà a la conclusió del fet que no era possible separar-lo per mitjans químics i es trobà que el meso-tori esdevenia radio-tori espontàniament (com a producte del procés de la seva desintegració radioactiva.miniatura|Variació de l'estabilitat dels isòtops segons el seu nombre atòmic i nombre màssic. Característiques Tots els elements químics tenen un o més isòtops. La majoria dels elements naturals són formats per diversos isòtops, les seves proporcions no canvien mai a conseqüència de reaccions químiques, són només el resultat de reaccions nuclears. Les propietats químiques dels isòtops d'un mateix àtom són les mateixes, són determinades pel nombre d'electrons, no pas per la massa del nucli.
En canvi, les propietats físiques dels nuclis atòmics poden ser molt diferents. Per exemple, el temps de vida mitjana dels isòtops 12 i 14 del carboni és molt diferent, cosa que es pot aprofitar per datar mostres d'interès històric o arqueològic d'origen orgànic. Els isòtops només poden ser separats per procediments físics (difusió, centrifugació, espectrometria de masses, destil·lació fraccionada i electròlisi). Hom classifica els isòtops en estables, amb una vida mitjana de l'ordre de 3 000 milions d'anys, i inestables o radioactius, que emeten radiacions i es converteixen en altres isòtops o elements.
Si la relació entre el nombre de protons i de neutrons no és l'apropiat per a obtenir l'estabilitat nuclear, l'isòtop és inestable i, per tant, radioactiu.
+ IsòtopNuclis permilió Hidrogen1705.700 Hidrogen 2 23 Heli 4275.200 Heli 3 35 Oxigen 165.920 Carboni 123.032 Carboni 1337 Neó 20 1.548 Neó 22208 Ferro 561.169 Ferro 5472 Ferro 5728 Nitrogen 141.105 Silici 28653 Silici 2934 Silici 3023 Magnesi 24513 Magnesi 2679 Magnesi 2569 Sofre 32396 Argó 3677 Calci 4060 Alumini 2758 Níquel 5849 Sodi 2333
Nomenclatura Els isòtops poden anomenar-se de tres maneres diferents indicant sempre el nom de l'element o el seu símbol i el seu nombre màssic:
Amb el nom de l'element, un espai, i a continuació el nombre màssic, com ara calci 48 o urani 235. Amb el símbol de l'element, un guió i el nombre màssic. És el cas de Ca-48 o U-235. Amb el símbol de l'element i el nombre màssic situat com a superíndex a l'esquerra del símbol. Pels isòtops anteriors seria 48Ca i 235U.
Separació d'isòtops Separació electromagnètica esquerra|miniatura|Esquema d'un espectròmetre de masses. El mètode electromagnètic de separació d'isòtops de l'urani fou estudiat inicialment pel físic estatunidenc Alfred Nier (1911-1994) de la Universitat de Minnesota. Nier emprà un espectròmetre de masses per enviar un corrent de partícules carregades accelerades dins d'un camp elèctric a través d'un fort camp magnètic. Els àtoms de l'isòtop més lleuger (U-235) es desviarien més pel camp magnètic que els de l'isòtop més pesat (U-238), resultant en dos corrents que podrien ser recollits per receptors diferents.
Ernest O. Lawrence (1901-1958) del Laboratori de Radiació de la Universitat de Califòrnia a Berkeley convertí el seu gegantí ciclotró per aconseguir aquesta forma de separació de manera més eficient. Aquest model conduí al posterior disseny i construcció de l'enorme complex a Oak Ridge, Tennessee. Degut al seu cost exorbitant, la separació electromagnètica fou gairebé abandonada després de la guerra per a la producció d'armes, però jugà un paper important en el desenvolupament del camp de la medicina nuclear.
Centrifugació esquerra|miniatura|Esquema d'una centrifugadora per a la separació d'isòtops. Una centrifugadora fou el primer dispositiu utilitzat per separar isòtops. El clor 35 fou separat del clor 37 el 1934 pel físic estatunidenc Jesse Beams (1898-1977) de la Universitat de Virgínia. Els físics nord-americans consideraren que la centrifugadora era la millor opció per a l'enriquiment de l'urani per a fins militars a gran escala l'any 1940, i Beams rebé finançament del govern per intentar l'enriquiment d'urani mitjançant centrifugació.
La força centrífuga en un cilindre que gira ràpidament sobre el seu eix vertical podria separar una mescla gasosa de dos isòtops. Això és a causa que l'isotop més lleuger, l'U-235, seria menys afectat per l'acció i podria ser extret a la part superior central del cilindre. Un sistema en cascada format per milers de centrifugadores podria produir una mescla enriquida. Tanmateix la centrifugadora de Beams requeria una enorme quantitat d'energia i només podia funcionar durant un curt període temps per la qual cosa no era adequada per a la producció industrial. Els científics del Projecte Manhattan optaren el 1944 per la difusió gasosa en lloc de les centrifugadores de gas com a mètode principal per a la separació dels isotops d'urani.
No obstant això, a principis de la dècada de 1950, un presoner de guerra alemany a la Unió Soviètica construí una centrifugadora eficient i duradora. Mentre les centrifugadores es consideraven una causa perduda en l'enginyeria nuclear nord-americana, els científics estrangers continuaven treballant en aquest àmbit. Els físics soviètics van pensar, amb encert, que la difusió gasosa no tenia sentit, ja que consumiria més energia del que podria produir. Max Steenbeck (1904-1981) i Gernot Zippe (1917-2008), presoners de guerra d'Alemanya i Àustria treballant en un camp de presoners de guerra realitzaren diverses millores en el disseny de Beams. El rotor de la centrifugadora es fe girar sobre la punta d'una agulla, com una baldufa, eliminant així la fricció, mentre que la centrifugadora es feia girar mitjançant un camp electromagnètic. Després de ser alliberat del camp de presoners, Steeneck tornà a Alemanya de l'Est, mentre que Zippe comercialitzà la seva centrifugadora per tot el món. A finals de la dècada de 1950, Zippe treballà com a investigador a la Universitat de Virgínia, on els oficials de la Comissió d'Energia Atòmica es maravellaren de la simplicitat del seu disseny i la tasca per construir una centrifugadora progressà amb molta facilitat. Aquest disseny s'estengué per esdevenir el mètode principal d'enriquiment d'urani i continua sent-ho avui en dia.
Producció miniatura|400x400px|Cadena de desintegració del neptuni (el neptuni 237 es troba en traces als dipòsits d'urani per captura de neutrons de l'urani 238). Hi ha isòtops que es troben a la naturalesa perquè són estables i altres són inestables però es van produint per les cadenes de desintegració dels isòtops de l'urani, del tori o del neptuni. Malgrat aquests són inestables, el seus període de semidesintegració són molt grans i es van desintegrant molt lentament en isòtops inestables que, en desintegrar-se, en generen altres fins a arribar als isòtops del plom que són estables. Per altra banda, mitjançant reaccions nuclears es poden sintetitzar isòtops inestables que no existeixen a la naturalesa. Aquests, en desintegrar-se donen lloc a altres isòtops fins que s'arriba a un que sigui estable.
Producció mitjançant reactors miniatura|Piscina d'un reactor nuclear. Els isòtops poden ser produïts en reactors nuclears exposant materials diana adequats al flux intens de neutrons del reactor durant un temps apropiat. En reactors del tipus de piscina moderats amb aigua lleugera, el nucli compacte és accessible des de la part superior de la piscina. Els materials diana a irradiar són tancats en càpsules, carregats en muntatges senzills i baixats a posicions predeterminades del nucli per a la irradiació. Posteriorment, les dianes irradiades són carregades en recipients adequats de protecció i transportades als laboratoris de química calenta per al seu processament. En reactors moderats amb aigua pesant, del tipus de tanc, alimentats amb urani, s'utilitzen muntatges sofisticats que contenen nombroses càpsules diana per a les irradiacions. En ambdós enfocaments, la qualitat i l'activitat específica dels isòtops produïts depenen tant del material diana com de les condicions de irradiació.
Una àmplia gamma d'isòtops es produeixen en reactors, des d'elements tan lleugers com el carboni 14 fins a tan pesants com el mercuri 203, amb irradiacions que varien des de minuts fins a setmanes. Per exemple, el molibdè 99, progenitor del radioisòtop de diagnòstic mèdic àmpliament utilitzat Tc-99m, generalment es produeix mitjançant fissió nuclear induïda per neutrons de dianes amb urani 235, amb un temps d'irradiació de 4 a 8 dies. També es produeix per irradiació amb neutrons d'una diana de Mo-98, segons la reacció:
^98_42Mo + ^1_0n -> ^99_42Mo + \gamma
Producció mitjançant acceleradors miniatura|Ciclotró emprat pels Premis Nobel francesos Irène Curie i Frédéric Joliot. Els acceleradors de partícules són utilitzats per bombardejar dianes de producció amb feixos de nuclis carregats que impacten en les dianes per produir una àmplia gamma d'isòtops, incloent molts nuclis rics en protons (F-18, C-11) que no estan disponibles en reactors. La reacció del fluor 18, molt emprat en medicina, empra aigua enriquida amb oxigen 18 que es bombardejada amb protons:
^18_8O + ^1_1p -> ^18_9F + ^1_0n