ISOTOPISMO

ISOTOPISMO (XIX, p. 656; App. I, p. 739)

Importanti progressi sono stati ottenuti negli ultimi anni nel campo dell'isotopismo. Attualmente si conoscono 275 isotopi stabili, il cui numero di massa va da 1 a 209, ad eccezione dei numeri 5 e 8. Di essi si trovano in natura tutti quelli aventi numero atomico compreso fra i e 83 inclusi, ad eccezione dei numeri 43 e 61. Molto più numerosi sono quelli instabili; per questi e per le relative reazioni nucleari, v. nucleo; radioattività, in questa Appendice.

Produzione. - La sempre più estesa applicazione degli isotopi e la necessità di disporne in quantitativi apprezzabili ha imposto il problema della loro produzione. Gli isotopi radioattivi sono prodotti utilizzando la stessa reazione nucleare che li genera; nel caso degli isotopi stabili sono stati ideati e realizzati diversi metodi di generazione:

a) Separazione per diffusione. - Con questo metodo, già trovato da G. Hertz nel 1932, è stata effettuata una notevole separazione degli isotopi del carbonio, dell'azoto, dell'ossigeno, del neon e dell'argon. Particolarmente importante il risultato ottenuto da P. Capron e M. de Hemptinne, nel raggiungere una concentrazione del 50 per cento di ¹³C nel metano. Questo sistema è stato applicato su vasta scala per ottenere una parziale separazione degli isotopi dell'uranio usando esafluoruro di uranio come gas diffondente. Molto lavoro è stato fatto per trovare le più adatte membrane, e nel 1945 un impianto del genere comprendente alcune migliaia di stadî è stato messo in funzione a Clinton.

b) Per diffusione termica. - Di particolare interesse si è dimostrato un procedimento detto di "termodiffusione", scoperto da K. Clusius e G. Dickel nel 1938. Era già noto che sottoponendo una miscela gassosa ad un gradiente di temperatura, si stabiliva un processo di diffusione per cui il costituente più leggero tendeva a concentrarsi nella zona più calda ed il più pesante in quella più fredda. La separazione ottenuta in questa maniera è molto bassa, ma se è accoppiata ad un sistema di convezione termica può essere grandemente aumentata. L'apparecchio consiste allora di un tubo verticale, di lunghezza variabile fra 1 e 36 metri, lungo l'asse del quale è disposto un filo o un cilindro sottile, riscaldato elettricamente a più di 500° C, cosicché la miscela gassosa da trattare viene a trovarsi nello spazio anulare e quindi tra una parete calda e una fredda. Si ha allora per diffusione termica un arricchimento delle molecole più leggere dalla parte calda e inoltre, per convezione, il gas caldo tenderà a salire lungo il filo caldo e a discendere lungo la parete fredda dopo che ha raggiunto la sommità, ed a risalire di nuovo dopo essere arrivato alla base del tubo. Come conseguenza dei due effetti si ottiene un arricchimento del costituente più leggero alla sommità e del più pesante alla base del tubo. Con questo sistema si è ottenuta una completa separazione degli isotopi del cloro, neon, carbonio e argon, oltre a numerosi miscugli gassosi. Il sistema si è dimostrato adatto alla separazione di molecole di massa diversa anche in fase liquida. Così è stato ottenuto un parziale arricchimento dell'isotopo 235 dell'uranio, usando esafluoruro di uranio liquido, ed un impianto del genere è entrato in funzione a Clinton, nel 1944.

c) Mediante spettrografi di massa. - La separazione ottenuta in questo modo degli isotopi ⁷Li, ¹¹B, ¹²C in quantità di alcuni microgrammi fece sempre considerare questo metodo insignificante per una produzione di massa. Invece nel 1940 A. O. Nier preparò piccoli campioni dei singoli isotopi dell'uranio e, dal 1941, E. A. Lawrence iniziò lo studio e successivamente la realizzazione della separazione elettromagnetica degli isotopi dell'uranio. L'impianto realizzato a Clinton nel 1943 ha funzionato su larga scala utilizzando l'uranio arricchito mediante diffusione termica, producendo ²³⁵U di purezza sufficiente all'uso della bomba atomica.

d) Per scambio chimico. - Il differente valore che l'energia del livello fondamentale assume in molecole contenenti isotopi diversi porta a una costante di equilibrio per una reazione di scambio leggermente diversa dall'unità. Per ottenere in pratica una effettiva separazione l'effetto deve essere moltiplicato, il che si ottiene mediante un'operazione continua di scambio tra due flussi in controcorrente, usando la tecnica delle colonne di frazionamento. Questo metodo si è mostrato utile nella separazione degli isotopi dell'azoto, del carbonio ed anche dello zolfo, ad opera di H. C. Urey e collaboratori.

Applicazioni. - Le applicazioni degli isotopi si sono estese a molti e svariati campi di ricerche. Usati come indicatori permettono di seguire un elemento nelle varie fasi di un processo fisico o chimico. È preferibile per questo scopo adoperare gli isotopi radioattivi, in quanto la loro individuazione è piuttosto facile mediante misure di attività radioattiva. In certi casi, come per l'ossigeno, l'azoto ed il carbonio, si rende necessario ricorrere agli isotopi stabili, e la determinazione dell'abbondanza relativa di essi nei varî campioni va fatta mediante uno spettrografo di massa. Fra le applicazioni si ricordano nel campo della chimica-fisica la determinazione del meccanismo di alcune reazioni chimiche, del meccanismo dei processi di adsorbimento, lo studio di alcuni legami chimici e di diversi processi di autodiffusione, sia in fase gassosa che condensata. Un'applicazione su vasta scala degli isotopi dell'uranio è stata infine realizzata negli S. U., durante la seconda Guerra mondiale, per l'utilizzazione dell'energia atomica a scopo bellico.

Biologia. - La materia vivente non sa distinguere elementi aventi identica costituzione elettronica e differenti proprietà nucleari; cioè la reattività biologica di una sostanza è determinata esclusivamente dalla sua composizione elettronica. Questo comportamento è stato sfruttato per introdurre in biologia una nuova tecnica di indagine ed in medicina un nuovo mezzo terapeutico e diagnostico. Gli isotopi, stabili e radioattivi, usati come tali, o introdotti in composti organici al posto dei loro simili naturali, permettono di disporre di elementi, radicali, molecole organiche ed inorganiche, e perfino di elementi cellulari identici chimicamente e biologicamente ai loro omologhi, e con delle caratteristiche fisiche che ne permettono il riconoscimento. Queste sostanze, portatrici di un segno distintivo, sono dette marcate o labellate, per la loro capacità di essere differenziate dalle altre; ciò che le rende utili in molte applicazioni.

a) Ricambio. - La velocità di assorbimento, di incorporamento in tessuti o in composti organici più complessi, e di eliminazione dall'organismo di una data sostanza, impossibile a studiarsi esattamente con metodi diversi, può essere determinata agevolmente ricorrendo all'artificio di marcare la sostanza in questione in qualche sua parte, e determinando nel mezzo organico che interessa, il variare del segno distintivo in funzione del tempo. È grazie a questo artificio che lo studio del ricambio minerale, protidico, glicidico e lipidico si è approfondito notevolmente, nuovi concetti e nuovi problemi sono apparsi e numerose concezioni classiche sono state superate e aggiornate.

b) Metabolismo. - Il metodo d'elezione per stabilire la derivazione di un composto metabolico da un suo supposto precursore è fondato sul concetto intuitivo di determinare un aumento del secondo incrementando artificialmente il primo. A questo concetto si è sostitutivo quello più logico di ricercare se una sostanza marcata introdotta in un sistema vivente sia seguita dalla formazione di un'altra o più sostanze portanti lo stesso contrassegno. È con tale sistema che si è, per es., chiarita la sintesi biologica della creatina, secondo il seguente schema:

Cioè, isolando la creatina da tessuti di animali trattati con dosi minime di metionina, arginina e glicina, marcate rispettivamente nel radicale metilico, guanidinico ed amminico, si è ottenuta della creatina con gli stessi contrassegni nei gruppi metilico (3), guanidinico (1), ed amminoacetico (2): dimostrandone così la diversa provenienza. Altre acquisizioni notevoli ottenute con lo stesso mezzo sono: la sintesi biologica del colesterolo dall'acido acetico, la sintesi animale di alcuni composti organici partendo da anidride carbonica, sintesi, quest'ultima, ritenuta prima d'ora esclusiva del regno vegetale.

Medicina. - Gli isotopi radioattivi sono stati sfruttati in campo medico sia in terapia sia in diagnostica. In terapia, oltre che come succedanei del radium, vengono somministrati per via interna alcuni di quelli noti per la loro elettiva localizzazione in certi tessuti che occorre sottomettere ad irradiazione. Così il radiofosforo, il radio-calcio, il radio-stronzio hanno avuto successo nella cura delle leucemie, policitemie e tumori ossei, godendo questi elementi di una specifica localizzazione nelle ossa, ed il radio-iodio nei tumori della tiroide dove anche è nota la sua localizzazione elettiva. In diagnostica si usa quest'ultimo nella distinzione delle disfunzioni tiroidee. La velocità di arrivo nella regione tiroidea e l'intensità delle radiazioni registrate da un contatore posto in questa regione dopo somministrazione di radio-iodio permettono una diagnosi accurata della funzionalità di questa ghiandola (fig. 1).

Per la determinazione delle sostanze marcate si usano tecniche standardizzate, basate sull'analisi del rapporto quantitativo dell'elemento che porta il contrassegno nella sostanza di partenza con quello della sostanza derivante. Nel campo degli isotopi stabili si determina con lo spettrografo di massa il loro contenuto percentuale in atomi, eccedenti il normale, dei composti in questione. Per i radioattivi oltre che ad usare un contatore di disintegrazioni, quale l'elettroscopio e l'apparecchio di Geiger-Mueller, adattati per la registrazione di corpuscoli emessi a debole intensità, come si riscontrano spesso negli isotopi usati in questi lavori, si può ricorrere all'uso dell'autografia. Tale procedimento si basa sul fatto che tessuti od organi contenenti la sostanza marcata, adagiati su una carta fotografica vi determinano una immagine in corrispondenza delle zone in cui si è depositata la sostanza stessa (fig. 2).

Bibl.: O. J. Walkey, in Ann. Rep. Chem. Soc., XXXV, 1938, p. 134; H. D. Smyth, Atomic energy for military Purposes, Princeton 1945. La più completa tavola degli isotopi è stata pubblicata nel 1946, negli S. U., a cura di E. Segrè (v. p. es.: The Science and Engineering of Nuclear Power, 1947). Per la biologia e medicina: M. D. Kamen, Radioactive tracers in biology, New York 1947; D. W. Wilson, A. O. C. Nier e S. P. Reimann, Preparation and measurement of isotopic tracers, Ann. Arbor 1946; A. Strohl e M. Berger, Les isotopes radioactifs en biologie, Parigi 1946.