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Separación de isótopos estables

Publicado por Ángeles Méndez

Los métodos existentes para la separación de isótopos de tipo estable se encuentran basados en la diferencia que se encuentra en las masas respectivas de cada isótopo, en ciertas ocasiones, de forma bastante sencilla, pero otras veces, se encuentran basados solamente en la diferencia de masas en las frecuencias de las vibraciones de las moléculas isotópicas, lo que hace la separación más complicada.

Una deducción bastante importante de la teoría mecánico-cuántica de la valencia es que la molécula conste con una cierta energía de tipo residual o también conocida como de punto cero, designada con la letra Eo. Para una molécula de tipo diatómica, el Eo por cada mol viene dado por la fórmula:

Eo = ½ N A. h. νo ; de donde NA hace referencia a la constante de Avogadro, h es la constante de Planck, y ν, es la frecuencia de vibración. Ésta se encuentra estrechamente relacionada con la masa reducida, o µ, que viene de µ = ma . mb/ma + mb; de donde ma y mb, hacen referencia a las masas de los dos átomos que conforman la molécula diatómica. También tenemos que tener en cuenta la fuerza, representada en la fórmula por la letra k; así llegamos a la fórmula:

νo = 1 / 2π √ k/ µ

El efecto que se produce de la sustitución isotópica en la constante de fuerza, es prácticamente despreciable, por lo que las frecuencias de las vibraciones de isótopos, y por lo tanto también sus energías del punto cero, se dice que son distintas. La expresión de la masa reducida nos enseña que el efecto es máximo para los elementos ligeros, pero sin embargo, se ha conseguido demostrar que en el caso del isótopo del uranio 235 y el 238, éstos pueden ser separados a través de excitación selectiva y descomposición del UF6 ( 235), en un haz de rayos láser.

Los isótopos pueden separarse por distintas técnicas, y una de ellas es el espectrógrafo de masas. Dicho instrumento se utiliza basándose en los instrumentos utilizados por J.J.Thomson, y F.W. Aston, cuando se realizaron las primeras separaciones de isótopos. En dicha técnica se hace utilización del hecho que las partículas que tienen relación masa/carga distintas, se mueven de manera diferente cuando se encuentran sometidas a la influencia de campos, tanto eléctricos como magnéticos. Una sustancia de tipo volátil, cuando se encuentra a baja presión se iónica por la acción del haz de electrones, y así, los iones de carga positiva ( ze) y la masa ( m), son acelerados a través de una diferencia de potencial, ( V), hasta llegar a una velocidad (v). Así llegamos a la igualdad siguiente:

½ mv^2 = Vze

En el caso de la aplicación de un campo magnético que sea uniforma en cuanto a la densidad de flujo ( B), en una dirección que sea de forma perpendicular al camino que recorren los iones, cada uno de los electrones se moverá entonces en círculo, con un radio ( r) de manera tal, que la fuerza centrífuga contrarreste con la fuerza que aplica el campo, así llegamos a :

mv^2 / r = Bzev ; si procedemos a la eliminación de v; obtenemos: m/ze = B^2 r^2 /2V
Si la V y la B, son constantes, los iones que poseen igual valor de ze, pueden ser separados en fracciones de masas distintas. Cuando el método viene usado para la separación de isótopos, dichas fracciones se deben recoger de manera separada. Así pues, con una sencilla operación se realiza la separación completa, y éste ha sido el método usado para separar los isótopos de uranio anteriormente mencionado, en forma de sus hexafluoruros volátiles (hay que mencionar que el flúor solamente tiene un isótopo natural).

El espectrógrafo de masas sin embargo, no es factible económicamente hablando, para lo que la separación de isótopos se refiere, cuando se encuentran en condiciones normales, por lo cual, en la actualidad, los espectrógrafos de masas se utilizan para la investigación de las estructuras o para el análisis de los isótopos. También se utiliza la espectrometría de masas para la identificación de especies.

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