Frazionamento isotopico, arricchimento di un isotopo rispetto ad un altro in un processo chimico o fisico. Due isotopi di un elemento sono diversi nel peso ma non nelle proprietà chimiche grossolane, che sono determinate dal numero di elettroni. Tuttavia, sottili effetti chimici derivano dalla differenza di massa degli isotopi. Gli isotopi di un elemento possono avere costanti di equilibrio leggermente diverse per una particolare reazione chimica, così che quantità leggermente diverse di prodotti di reazione sono fatte da reagenti contenenti isotopi diversi. Questo porta al frazionamento isotopico, la cui entità può essere espressa da un fattore di frazionamento, alfa (α), noto anche come fattore di separazione, o fattore di arricchimento. Questo fattore è il rapporto delle concentrazioni dei due isotopi in un composto diviso per il rapporto nell’altro composto. Se Nl e Nh stanno per le abbondanze relative degli isotopi leggeri e pesanti, rispettivamente, nel composto originale e se nl e nh sono le abbondanze corrispondenti nel nuovo composto, allora α = (Nl/Nh)/(nl/nh). Il fattore di frazionamento è il fattore per cui il rapporto di abbondanza di due isotopi cambierà durante una reazione chimica o un processo fisico.
La precipitazione del carbonato di calcio dall’acqua è un esempio di un processo di frazionamento di equilibrio. Durante questa precipitazione l’ossigeno-18 si arricchisce di un fattore del 2,5% rispetto all’isotopo più leggero e comune ossigeno-16; il fattore di frazionamento dipende dalla temperatura e, di conseguenza, può essere usato come mezzo per determinare la temperatura dell’acqua in cui avviene la precipitazione. Questa è la base del cosiddetto geotermometro degli isotopi dell’ossigeno.
Durante il processo di fotosintesi, il carbonio-12, l’isotopo più comune del carbonio, si arricchisce ulteriormente rispetto all’isotopo più pesante, il carbonio-13; la cellulosa e la lignina nel legno degli alberi si arricchiscono di un fattore di circa il 2,5% durante questo processo. Il frazionamento in questo caso non è un processo di equilibrio ma piuttosto un effetto cinetico: l’isotopo più leggero procede più velocemente attraverso il processo fotosintetico e, di conseguenza, si arricchisce.
I processi fisici, come l’evaporazione e la condensazione e la diffusione termica, possono anche risultare in un frazionamento significativo. Per esempio, l’ossigeno-16 si arricchisce rispetto agli isotopi di ossigeno più pesanti nell’acqua che evapora dal mare. D’altra parte, qualsiasi precipitato si arricchisce nell’isotopo pesante, risultando in un’ulteriore concentrazione di ossigeno-16 nel vapore acqueo atmosferico. Poiché i processi di evaporazione e condensazione tendono a verificarsi rispettivamente nelle regioni equatoriali e polari, la neve nelle regioni polari è impoverita di ossigeno-18 di circa il 5% rispetto all’oceano circostante. Poiché il rapporto degli isotopi dell’ossigeno nei precipitati è sensibile ai piccoli cambiamenti di temperatura al momento della deposizione, le misurazioni delle carote di ghiaccio polari sono utili per studiare i cambiamenti climatici.
L’isotopo fissile dell’uranio-235 è stato separato dall’isotopo più abbondante e non fissile dell’uranio-238 sfruttando la leggera differenza nella velocità con cui gli esafluoruri gassosi dei due isotopi passano attraverso una barriera porosa.