Fractionnement isotopique, enrichissement d’un isotope par rapport à un autre dans un processus chimique ou physique. Deux isotopes d’un élément sont différents en poids mais pas en propriétés chimiques brutes, qui sont déterminées par le nombre d’électrons. Cependant, des effets chimiques subtils résultent de la différence de masse des isotopes. Les isotopes d’un élément peuvent avoir des constantes d’équilibre légèrement différentes pour une réaction chimique particulière, de sorte que des quantités légèrement différentes de produits de réaction sont obtenues à partir de réactifs contenant des isotopes différents. Cela entraîne un fractionnement isotopique, dont l’ampleur peut être exprimée par un facteur de fractionnement, alpha (α), également appelé facteur de séparation ou facteur d’enrichissement. Ce facteur est le rapport des concentrations des deux isotopes dans un composé divisé par le rapport dans l’autre composé. Si Nl et Nh représentent les abondances relatives des isotopes légers et lourds, respectivement, dans le composé original et si nl et nh sont les abondances correspondantes dans le nouveau composé, alors α = (Nl/Nh)/(nl/nh). Le facteur de fractionnement est le facteur par lequel le rapport d’abondance de deux isotopes va changer au cours d’une réaction chimique ou d’un processus physique.
La précipitation du carbonate de calcium dans l’eau est un exemple de processus de fractionnement à l’équilibre. Au cours de cette précipitation, l’oxygène-18 s’enrichit d’un facteur de 2,5 % par rapport à l’isotope plus léger et plus commun qu’est l’oxygène-16 ; le facteur de fractionnement dépend de la température et, par conséquent, peut être utilisé comme un moyen de déterminer la température de l’eau dans laquelle se produit la précipitation. C’est la base de ce que l’on appelle le géothermomètre isotopique de l’oxygène.
Pendant le processus de photosynthèse, le carbone-12, l’isotope le plus commun du carbone, s’enrichit encore par rapport à l’isotope le plus lourd, le carbone-13 ; la cellulose et la lignine du bois des arbres s’enrichissent d’un facteur d’environ 2,5 % pendant ce processus. Le fractionnement dans ce cas n’est pas un processus d’équilibre mais plutôt un effet cinétique : l’isotope le plus léger avance plus rapidement dans le processus de photosynthèse et, par conséquent, s’enrichit.
Les processus physiques, tels que l’évaporation et la condensation et la diffusion thermique, peuvent également entraîner un fractionnement important. Par exemple, l’oxygène-16 est enrichi par rapport aux isotopes plus lourds de l’oxygène dans l’eau qui s’évapore de la mer. D’autre part, tout précipité est enrichi en isotope lourd, ce qui entraîne une concentration supplémentaire d’oxygène-16 dans la vapeur d’eau atmosphérique. Comme les processus d’évaporation et de condensation ont tendance à se produire respectivement dans les régions équatoriales et polaires, la neige des régions polaires est appauvrie en oxygène-18 d’environ 5 % par rapport à l’océan environnant. Comme le rapport des isotopes de l’oxygène dans les précipités est sensible aux petits changements de température au moment du dépôt, les mesures des carottes de glace polaires sont utiles pour étudier le changement climatique.
L’isotope fissile de l’uranium 235 a été séparé de l’isotope non fissile de l’uranium 238, plus abondant, en exploitant la légère différence de vitesse à laquelle les hexafluorures gazeux des deux isotopes traversent une barrière poreuse.