Proprietà chimiche e molecolariModifica
Un atomo neutro ha lo stesso numero di elettroni dei protoni. Così diversi isotopi di un dato elemento hanno tutti lo stesso numero di elettroni e condividono una struttura elettronica simile. Poiché il comportamento chimico di un atomo è largamente determinato dalla sua struttura elettronica, diversi isotopi mostrano un comportamento chimico quasi identico.
La principale eccezione a questo è l’effetto isotopo cinetico: a causa delle loro masse più grandi, gli isotopi più pesanti tendono a reagire un po’ più lentamente degli isotopi più leggeri dello stesso elemento. Questo è di gran lunga più pronunciato per il prozio (1
H
), il deuterio (2
H
) e il trizio (3
H
), perché il deuterio ha il doppio della massa del prozio e il trizio ha tre volte la massa del prozio. Queste differenze di massa influenzano anche il comportamento dei rispettivi legami chimici, cambiando il centro di gravità (massa ridotta) dei sistemi atomici. Tuttavia, per gli elementi più pesanti la differenza di massa relativa tra gli isotopi è molto minore, così che gli effetti della differenza di massa sulla chimica sono solitamente trascurabili. (Gli elementi pesanti hanno anche relativamente più neutroni degli elementi più leggeri, quindi il rapporto tra la massa nucleare e la massa elettronica collettiva è leggermente maggiore). C’è anche un effetto isotopo di equilibrio.
Similmente, due molecole che differiscono solo per gli isotopi dei loro atomi (isotopologi) hanno una struttura elettronica identica, e quindi proprietà fisiche e chimiche quasi indistinguibili (sempre con deuterio e trizio come eccezioni principali). I modi vibrazionali di una molecola sono determinati dalla sua forma e dalle masse dei suoi atomi costitutivi; così diversi isotopologi hanno diversi set di modi vibrazionali. Poiché i modi vibrazionali permettono ad una molecola di assorbire fotoni di energie corrispondenti, gli isotopologi hanno diverse proprietà ottiche nella gamma dell’infrarosso.
Proprietà nucleari e stabilitàModifica
I nuclei atomici sono composti da protoni e neutroni legati insieme dalla forza forte residua. Poiché i protoni sono caricati positivamente, si respingono a vicenda. I neutroni, che sono elettricamente neutri, stabilizzano il nucleo in due modi. La loro copresenza spinge i protoni leggermente a distanza, riducendo la repulsione elettrostatica tra i protoni, ed esercitano la forza nucleare attrattiva l’uno sull’altro e sui protoni. Per questo motivo, uno o più neutroni sono necessari affinché due o più protoni si leghino in un nucleo. All’aumentare del numero di protoni, aumenta anche il rapporto tra neutroni e protoni necessario per garantire un nucleo stabile (vedi grafico a destra). Per esempio, sebbene il rapporto neutroni:protoni di 3
2He
sia 1:2, il rapporto neutroni:protoni di 238
92U
è maggiore di 3:2. Un certo numero di elementi più leggeri hanno nuclidi stabili con il rapporto 1:1 (Z = N). Il nuclide 40
20Ca
(calcio-40) è osservabilmente il nuclide stabile più pesante con lo stesso numero di neutroni e protoni. Tutti i nuclidi stabili più pesanti del calcio-40 contengono più neutroni che protoni.
Numeri di isotopi per elementoModifica
Degli 80 elementi con un isotopo stabile, il maggior numero di isotopi stabili osservati per qualsiasi elemento è dieci (per l’elemento stagno). Nessun elemento ha nove o otto isotopi stabili. Cinque elementi hanno sette isotopi stabili, otto hanno sei isotopi stabili, dieci hanno cinque isotopi stabili, nove hanno quattro isotopi stabili, cinque hanno tre isotopi stabili, 16 hanno due isotopi stabili (contando 180m
73Ta
come stabile), e 26 elementi hanno un solo isotopo stabile (di questi, 19 sono i cosiddetti elementi mononuclidi, avendo un solo isotopo stabile primordiale che domina e fissa il peso atomico dell’elemento naturale con grande precisione; Esistono anche 3 elementi mononuclidi radioattivi). In totale, ci sono 252 nuclidi che non sono stati osservati decadere. Per gli 80 elementi che hanno uno o più isotopi stabili, il numero medio di isotopi stabili è 252/80 = 3,15 isotopi per elemento.
Numeri nucleonici pari e dispariModifica
| p,n | EE | OO | EO | OE | Totale |
|---|---|---|---|---|---|
| Stabile | 146 | 5 | 53 | 48 | 252 |
| Long-vissuto | 22 | 4 | 3 | 5 | 34 |
| Tutti primordiali | 168 | 9 | 56 | 53 | 286 |
Il rapporto protone:neutroni non è l’unico fattore che influenza la stabilità nucleare. Esso dipende anche dall’uniformità o dalla disparizione del suo numero atomico Z, del numero di neutroni N e, di conseguenza, della loro somma, il numero di massa A. La disparizione sia di Z che di N tende ad abbassare l’energia di legame nucleare, rendendo i nuclei dispari, generalmente, meno stabili. Questa notevole differenza di energia di legame nucleare tra nuclei vicini, specialmente di isobare dispari-A, ha importanti conseguenze: gli isotopi instabili con un numero non ottimale di neutroni o protoni decadono per decadimento beta (inclusa l’emissione di positroni), cattura di elettroni, o altre modalità di decadimento meno comuni come la fissione spontanea e il decadimento a grappolo.
La maggioranza dei nuclidi stabili sono pari-protone-neutrone pari, dove tutti i numeri Z, N, e A sono pari. I nuclidi stabili dispari-A sono divisi (più o meno equamente) in nuclidi dispari-protone-pari-neutrone e nuclidi pari-protone-odd-neutrone. I nuclei stabili dispari-protone-odd-neutrone sono i meno comuni.
Numero atomico pariModifica
I 146 nuclidi pari-protone, pari-neutrone (EE) comprendono ~58% di tutti i nuclidi stabili e tutti hanno spin 0 a causa dell’accoppiamento. Ci sono anche 24 nuclidi primordiali a lunga vita pari-pari. Di conseguenza, ognuno dei 41 elementi pari da 2 a 82 ha almeno un isotopo stabile, e la maggior parte di questi elementi ha diversi isotopi primordiali. La metà di questi elementi pari ha sei o più isotopi stabili. L’estrema stabilità dell’elio-4, dovuta al doppio accoppiamento di 2 protoni e 2 neutroni, impedisce a qualsiasi nuclide contenente cinque (5
2He
, 5
3Li
) o otto (8
4Be
) nucleoni di esistere abbastanza a lungo da servire da piattaforma per la costruzione di elementi più pesanti tramite fusione nucleare nelle stelle (vedi processo triplo alfa).
| Decadimento | Metàvita | |
|---|---|---|
| 113 48Cd |
beta | 7.7×1015 a |
| 147 62Sm |
alpha | 1.06×1011 a |
| 235 92U |
alpha | 7.04×108 a |
53 nuclidi stabili hanno un numero pari di protoni e un numero dispari di neutroni. Sono una minoranza rispetto agli isotopi pari, che sono circa 3 volte più numerosi. Tra i 41 elementi even-Z che hanno un nuclide stabile, solo due elementi (argon e cerio) non hanno nuclidi stabili even-odd. Un elemento (lo stagno) ne ha tre. Ci sono 24 elementi che hanno un nuclide pari-dispari e 13 che hanno due nuclidi dispari-dispari. Su 35 radionuclidi primordiali esistono quattro nuclidi pari-dispari (vedi tabella a destra), incluso il fissile 235
92U
. A causa del loro numero dispari di neutroni, i nuclidi pari-dispari tendono ad avere grandi sezioni d’urto di cattura dei neutroni, a causa dell’energia che risulta dagli effetti di accoppiamento dei neutroni. Questi nuclidi stabili pari-protone dispari-neutronici tendono ad essere poco comuni per abbondanza in natura, generalmente perché, per formarsi ed entrare nell’abbondanza primordiale, devono essere sfuggiti catturando neutroni per formare ancora altri isotopi stabili pari-dispari, sia durante il processo s che il processo r di cattura dei neutroni, durante la nucleosintesi nelle stelle. Per questa ragione, solo 195
78Pt
e 9
4Be
sono gli isotopi più abbondanti in natura del loro elemento.
Numero atomico dispariModifica
Otto nuclidi dispari-protone-pari-neutrone stabili, stabilizzati dai loro neutroni appaiati, formano la maggior parte degli isotopi stabili degli elementi dispari; i pochi nuclidi dispari-protone-odd-neutrone comprendono gli altri. Ci sono 41 elementi dispari con Z = da 1 a 81, di cui 39 hanno isotopi stabili (gli elementi tecnezio (
43Tc
) e promezio (
61Pm
) non hanno isotopi stabili). Di questi 39 elementi Z dispari, 30 elementi (compreso l’idrogeno-1 dove 0 neutroni sono pari) hanno un isotopo stabile dispari e nove elementi: cloro (
17Cl
), potassio (
19K
), rame (
29Cu
), gallio (
31Ga
), bromo (
35Br
),argento (
47Ag
), antimonio (
51Sb
), iridio (
77Ir
) e tallio (
81Tl
), hanno due isotopi stabili dispari ciascuno. Questo fa un totale di 30 + 2(9) = 48 isotopi dispari stabili.
Ci sono anche cinque isotopi dispari radioattivi primordiali a lunga vita, 87
37Rb
, 115
49In
, 187
75Re
, 151
63Eu
, e 209
83Bi
. Gli ultimi due sono stati trovati solo recentemente a decadere, con emivite maggiori di 1018 anni.
Solo cinque nuclidi stabili contengono sia un numero dispari di protoni che un numero dispari di neutroni. I primi quattro nuclidi “dispari” si trovano in nuclidi di bassa massa, per i quali cambiare un protone in un neutrone o viceversa porterebbe ad un rapporto protone-neutrone molto sbilanciato (2
1H
, 6
3Li
, 10
5B
, e 14
7N
; spin 1, 1, 3, 1). L’unico altro nuclide dispari interamente “stabile”, 180m
73Ta
(spin 9), si pensa sia il più raro dei 252 isotopi stabili, ed è l’unico isomero nucleare primordiale che non è stato ancora osservato decadere nonostante i tentativi sperimentali.
Sono noti molti radionuclidi dispari (come il tantalio-180) con emivite relativamente brevi. Di solito, decadono in beta ai loro vicini isobare pari-dispari che hanno protoni e neutroni appaiati. Dei nove nuclidi primordiali dispari-dispari (cinque stabili e quattro radioattivi con lunghe emivite), solo 14
7N
è l’isotopo più comune di un elemento comune. Questo è il caso perché fa parte del ciclo CNO. I nuclidi 6
3Li
e 10
5B
sono isotopi minoritari di elementi che sono essi stessi rari rispetto ad altri elementi leggeri, mentre gli altri sei isotopi costituiscono solo una piccola percentuale dell’abbondanza naturale dei loro elementi.
Numero di neutroni dispariModifica
| N | Pari | Odd | |
|---|---|---|---|
| Stabile | 194 | 58 | |
| Long-vissuto | 27 | 7 | |
| Tutti primordiali | 221 | 65 |
Gli attinidi con numero di neutroni dispari sono generalmente fissili (con neutroni termici), mentre quelli con numero di neutroni pari non lo sono generalmente, anche se sono fissionabili con neutroni veloci. Tutti i nuclidi dispari stabili dal punto di vista dell’osservazione hanno uno spin intero non nullo. Questo perché il singolo neutrone non accoppiato e il protone non accoppiato hanno una maggiore attrazione della forza nucleare l’uno verso l’altro se i loro spin sono allineati (producendo uno spin totale di almeno 1 unità), invece che anti-allineati. Vedi il deuterio per il caso più semplice di questo comportamento nucleare.
Solo 195
78Pt
, 9
4Be
e 14
7N
hanno numero di neutroni dispari e sono gli isotopi più abbondanti in natura del loro elemento.