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Elementi chimici per stabilità degli isotopi

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Questa è una lista degli elementi chimici e dei loro isotopi, elencati in termini di stabilità.

I nuclei atomici consistono di protoni e di neutroni, che si attraggono l'un l'altro grazie alla forza nucleare, mentre i protoni si respingono l'un l'altro per effetto della forza elettrica dovuta alla loro carica positiva. Queste due forze sono in concorrenza tra loro, determinando alcune combinazioni di neutroni e protoni che sono più stabili di altre. I neutroni stabilizzano il nucleo, perché si attraggono tra loro e con i protoni, ugualmente, per effetto della forza nucleare, che è tanto potente da aiutare a compensare la repulsione elettrica tra i protoni. Di conseguenza, via via che il numero dei protoni aumenta, è necessario un rapporto crescente dei neutroni rispetto ai protoni per formare un nucleo stabile.

Tuttavia, se rispetto al rapporto ottimale il numero dei protoni è troppo alto o troppo basso, il nucleo diventa instabile e soggetto a certi tipi di decadimento nucleare. Gli isotopi instabili decadono attraverso vari modi di decadimento radioattivo, i più comuni dei quali sono il decadimento alfa, il decadimento beta o la cattura elettronica. Si conoscono però altri tipi più rari di decadimento, come la fissione spontanea o il decadimento dei cluster.

Generalità modifica

 
Gamma numerica dei neutroni inseribili (naturalmente o artificialmente) nel nucleo atomico, in funzione di ogni numero di protoni. Emivita (indice della stabilità nucleare) di ogni isotopo corrispondente. -Nella colonna a destra, la gamma dei colori e i corrispondenti valori di emivita non è in corrispondenza di posizione con l'asse cartesiano delle ordinate nel grafico ma solo con il colore indicante il grado di stabilità dei nuclidi. -Nel grafico, dunque, si noti che il rapporto ideale N/Z (linea nera intermedia corrispondente ai nuclidi stabili) aumenta con l'aumento di Z e che l'allontanamento da tale linea ideale, verso l'alto (eccesso di N) e verso il basso (difetto di N), inizialmente quasi simmetrico (fino a Z=45-55: eccesso N (>)=(poco maggiore) difetto N), diventa alquanto sbilanciato verso il basso (eccesso N <<=(molto minore) difetto N) {forse a causa della forte repulsione esercitata sui protoni da un numeroso guscio elettronico che favorirebbe contrazione e aumento della forza di attrazione intranucleare, in un nucleo alleggerito di neutroni?}

Dei primi 82 elementi della tavola periodica, 80 hanno isotopi considerati stabili.[1] Il tecnezio, il promezio (numeri atomici 43 e 61, rispettivamente)[2] e tutti gli elementi con un numero atomico oltre 82 hanno soltanto isotopi che si sa che si decompongono per decadimento radioattivo. Non ci si aspetta che ne possiedano di stabili, non ancora scoperti; ecco perché il piombo è considerato l'elemento stabile più pesante. Tuttavia è possibile che in futuro si scopra che alcuni isotopi attualmente considerati stabili in realtà decadono con emivite estremamente lunghe (come accadde nel 2003 con il bismuto-209 che era stato precedentemente considerato stabile).[3][4] Questa lista descrive quanto risulta dal consenso della comunità scientifica fino al 2008.[1]

Per ciascuno degli 80 elementi stabili, il numero degli isotopi stabili è dato. Ci si aspetta che soltanto 90 isotopi siano perfettamente stabili, e altri 165 sono energeticamente stabili, ma non sono stati mai osservati decadere. Quindi, 255 isotopi (nuclidi) sono stabili per definizione. Questi sono gli isotopi formalmente stabili. Quelli che in futuro si troverà che sono radioattivi, ci si aspetta che abbiano emivite solitamente più lunghe di 1022 anni (ad esempio lo xeno-134).

Degli elementi chimici, solo uno (lo stagno) ha 10 di tali isotopi stabili, uno (lo xeno) ha nove isotopi, quattro hanno sette isotopi, nove hanno sei isotopi, nove hanno cinque isotopi, nove hanno quattro isotopi, cinque hanno tre isotopi stabili, sedici hanno due isotopi stabili e ventisei hanno un unico isotopo stabile.[1] Quindi, ci sono attualmente 255 nuclidi classificati come stabili perché la loro emivita di decadimento è troppo lunga per essere misurata. Tra questi si annovera il Ta-180m, per il quale non è stato ancora osservato alcun decadimento.

Per giunta, circa 28 nuclidi dei 94 elementi presenti naturalmente hanno isotopi stabili con emivita maggiore dell'età del sistema solare (~109 anni o più).[5] Altri 5 nuclidi hanno emivite più lunghe di 80 milioni di anni, che è di gran lunga meno dell'età del sistema solare, ma abbastanza a lungo perché alcuni di essi siano sopravvissuti. Questi 33 nuclidi radioattivi presenti naturalmente costituiscono i nuclidi primordiali radioattivi. Il numero totale dei nuclidi primordiali è allora di 255 (i nuclidi stabili) più i 33 nuclidi primordiali radioattivi, per un totale di 288 nuclidi primordiali. Questo numero è soggetto a cambiamenti se nuovi primordiali dalla vita più breve saranno identificati sulla Terra. Tuttavia, la scoperta che un nuclide precedentemente ritenuto stabile sia blandamente radioattivo (come la scoperta di questo tipo avvenuta per il bismuto-209 nell'anno 2003) non cambia il numero totale dei primordiali, dal momento che sposta solamente l'elemento dal gruppo dei primordiali stabili a quello dei primordiali radioattivi, lasciando la somma invariata.

Uno dei nuclidi primordiali è il Ta-180m che si prevede abbia un'emivita di 1015 anni, ma non è mai stato osservato decadere. L'emivita ancora più lunga del tellurio-128, pari a 7,7×1024anni, fu misurata con metodo esclusivo di rilevazione del figlio radiogeno, lo xeno-128, ed è attualmente l'emivita più lunga conosciuta, misurata sperimentalmente.[6] Un altro esempio notevole è l'unico isotopo del bismuto presente naturalmente, che è stato previsto essere instabile con una emivita molto lunga, ma di cui solo recentemente è stato osservato l'effettivo decadimento. A causa delle loro lunghe emivite, tali isotopi si trovano ancora sulla Terra in varie abbondanze e insieme agli isotopi stabili sono chiamati isotopi primordiali. Tutti gli isotopi primordiali sono dati in ordine crescente della loro abbondanza sulla Terra.[7]

Ci sono 80 elementi con un solo isotopo stabile, ma sono conosciuti circa 112 elementi chimici a seconda della conferma ufficiale (118 sono dati in questa tabella). Tutti gli elementi fino al 94 si trovano in natura, mentre il resto degli elementi scoperti sono prodotti artificialmente, con gli isotopi conosciuti tutti come altamente radioattivi e dotati di emivite relativamente brevi. Gli elementi di questa lista sono ordinati secondo la vita del loro isotopo più stabile.[1] Di questi, quattro elementi (bismuto, torio, uranio e plutonio) sono primordiali perché hanno emivite abbastanza lunghe da essere ancora trovati sulla Terra,[8] mentre tutti gli altri o sono prodotti per decadimento radioattivo o sono sintetizzati nei laboratori e nei reattori nucleari. Soltanto 13 dei 38 elementi conosciuti ma instabili (assumendo che il numero totale degli elementi sia 118) hanno isotopi con un'emivita di almeno 100 anni. Ogni isotopo conosciuto dei rimanenti 38 − 13 = 25 elementi è altamente radioattivo; essi si usano nelle ricerche accademiche e a volte nell'industria e nella medicina.[9] In futuro, si potrebbe rivelare che alcuni degli elementi più pesanti della tavola periodica hanno isotopi ancora non scoperti con emivite più lunghe di quelle qui elencate.[10]

Circa 339 nuclidi si trovano in natura sulla Terra. Questi comprendono 255 isotopi stabili e, con l'aggiunta dei 33 radioisotopi dalla vita lunga con emivite più lunghe di 80 milioni di anni, dànno un totale di 288 nuclidi primordiali, come notato sopra. I nuclidi trovati naturalmente comprendono non solo i 288 primordiali, ma includono anche circa altri 51 isotopi dalla vita più breve (definita come emivita inferiore a 80 milioni di anni, troppo breve per essere sopravvissuti alla formazione della Terra) che sono figli di isotopi primordiali (come il radio dall'uranio) o che altrimenti sono creati da processi energetici naturali, come il carbonio-14 formato dall'azoto atmosferico mediante bombardamento dei raggi cosmici.

Elementi per numero di isotopi primordiali modifica

Un numero pari di protoni o di neutroni è più stabile (energia di legame inferiore) a causa degli effetti di accoppiamento, perciò i nuclidi pari-pari sono molto più stabili di quelli dispari-dispari. Un effetto è che ci sono pochi nuclidi dispari-dispari stabili: infatti soltanto quattro sono stabili, con altri quattro che hanno emivite più lunghe di un miliardo di anni. Un altro effetto è di impedire il decadimento beta di molti nuclidi pari-pari in un altro nuclide pari-pari dello stesso numero di massa ma di energia inferiore perché il decadimento, procedendo un passo alla volta, dovrebbe passare attraverso un nuclide dispari-dispari di energia superiore. Ciò rende possibile un maggior numero di nuclidi pari-pari stabili; fino a tre per alcuni numeri di massa e fino a sette per alcuni numeri atomici (protoni). Il doppio decadimento beta direttamente da pari-pari a pari-pari, saltando un nuclide dispari-dispari, è possibile solo occasionalmente ed è un processo così fortemente ostacolato che ha un'emivita maggiore di un miliardo di volte dell'età dell'universo.

Un altro effetto dell'instabilità di un numero dispari di entrambi i tipi di nucleoni è che gli elementi di numero dispari tendono ad avere meno isotopi stabili. Dei 26 elementi "monoisotopici" che hanno un unico isotopo stabile, tutti tranne uno hanno un numero atomico dispari (l'unica eccezione è il berillio).

Tabelle modifica

Le tabelle seguenti forniscono gli elementi che possiedono nuclidi primordiali, che significa che l'elemento può essere ancora identificato sulla Terra da fonti naturali essendo stato presente fin da quando la Terra si è formata dalla nebulosa solare. Di conseguenza nessuno è il figlio dalla vita più breve di primordiali parentali dalla vita più lunga, come il radon.

Le tabelle degli elementi sono ordinate per numero crescente dei nuclidi associati a ciascun elemento. Sono dati i nuclidi stabili e instabili (contrassegnati decadimenti) con i simboli dei nuclidi instabili (radioattivi) in corsivo. Si noti che l'ordinamento non fornisce esattamente gli elementi semplicemente in ordine di nuclidi stabili, in quanto alcuni elementi hanno un numero maggiore di nuclidi instabili dalla vita lunga che li pongono davanti agli elementi con un numero maggiore di nuclidi stabili. Per convenzione, i nuclidi sono conteggiati come "stabili" se non sono mai stati osservati decadere né sperimentalmente né in base all'osservazione di prodotti di decadimento (i nuclidi dalla vita lunga instabili solo in teoria, come il tantalio-180m, sono conteggiati come stabili).

La prima tabella è per gli elementi con numero atomico pari che tendono ad avere di gran lunga più nuclidi primordiali stabili grazie alla stabilità conferita loro dall'accoppiamento protone-protone. Una seconda tabella distinta è data per gli elementi con numero atomico dispari, che tendono ad avere di gran lunga meno nuclidi stabili e nuclidi instabili (primordiali) dalla vita lunga.

Isotopi primordiali (in ordine di abbondanza decrescente sulla terra[7]) degli elementi con Z pari
Z
 Elemento
 Stabile
[1] 		Decadimenti
[1][5] 		instabili in corsivo[5]
numero neutronico dispari in rosa
50 stagno 10 — 120Sn 118Sn 116Sn 119Sn 117Sn 124Sn 122Sn 112Sn 114Sn 115Sn
54 xeno 9 — 132Xe 129Xe 131Xe 134Xe 136Xe 130Xe 128Xe 124Xe 126Xe
48 cadmio 6 2 114Cd 112Cd 111Cd 110Cd 113Cd 116Cd 106Cd 108Cd
52 tellurio 6 2 130Te 128Te 126Te 125te 124Te 122Te 123Te 120Te
44 rutenio 7 — 102Ru 104Ru 101Ru 99Ru 100Ru 96Ru 98Ru
56 bario 7 — 138Ba 137Ba 136Ba 135Ba 134Ba 130Ba 132Ba
66 disprosio 7 — 164Dy 162Dy 163Dy 161Dy 160Dy 158Dy 156Dy
70 itterbio 7 — 174Yb 172Yb 173Yb 171Yb 176Yb 170Yb 168Yb
80 mercurio 7 — 202Hg 200 199 201Hg 198Hg 204Hg 196Hg
42 molibdeno 6 1 98Mo 96Mo 95Mo 92Mo 100Mo 97Mo 94Mo
64 gadolinio 6 1 158Gd 160Gd 156Gd 157Gd 155Gd 154Gd 152Gd
76 osmio 6 1 192Os 190Os 189Os 188Os 187Os 186Os 184Os
60 neodimio 5 2 142Nd 144Nd 146Nd 143Nd 145Nd 148 150
62 samario 5 2 152Sm 154Sm 147Sm 149Sm 148Sm 150Sm 144Sm
36 kripton 6 — 84Kr 86Kr 82Kr 83Kr 80Kr 78Kr
46 palladio 6 — 106Pd 108Pd 105Pd 110Pd 104Pd 102Pd
68 erbio 6 — 166Er 168Er 167Er 170Er 164Er 162Er
20 calcio 5 1 40Ca 44Ca 42Ca 48Ca 43Ca 46Ca
34 selenio 5 1 80Se 78Se 76Se 82Se 77Se 74Se
72 afnio 5 1 180Hf 178Hf 177Hf 179Hf 176Hf 174Hf
78 platino 5 1 195Pt 194Pt 196Pt 198Pt 192Pt 190Pt
22 titanio 5 — 48Ti 46Ti 47Ti 49Ti 50Ti
28 nichel 5 — 58Ni 60Ni 62Ni 61Ni 64Ni
30 zinco 5 — 64Zn 66Zn 68Zn 67Zn 70Zn
32 germanio 4 1 74Ge 72Ge 70Ge 73Ge 76Ge
40 zirconio 5 1 90Zr 94Zr 92Zr 91Zr 96Zr
74 tungsteno 4 1 184W 186W 182W 183W 180W
16 zolfo 4 — 32S 34S 33S 36S
24 cromo 4 — 52Cr 53Cr 50Cr 54Cr
26 ferro 4 — 56Fe 54Fe 57Fe 58Fe
38 stronzio 4 — 88Sr 86Sr 87Sr 84Sr
58 cerio 4 — 140Ce 142Ce 138Ce 136Ce
82 piombo 4 — 208Pb 206Pb 207Pb 204Pb
8 ossigeno 3 — 16O 18O 17O
10 neon 3 — 20Ne 22Ne 21Ne
12 magnesio 3 — 24Mg 26Mg 25Mg
14 silicio 3 — 28Si 29Si 30Si
18 argon 3 — 40Ar 36Ar 38Ar
2 elio 2 — 4He 3He
6 carbonio 2 — 12C 13C
92 uranio 0 2 238U[8] 235U
4 berillio 1 — 9Be
90 torio 0 1 232Th
94 plutonio 0 1 244Pu
Isotopi primordiali degli elementi
con Z dispari
Z
 Elemento
 Stab
 Dec
 instabili: corsivo
N in rosa
19 potassio 2 1 39K 41K 40K
1 idrogeno 2 — 1H 2H
3 litio 2 — 7Li 6Li
5 boro 2 — 11B 10B
7 azoto 2 — 14N 15N
17 cloro 2 — 35Cl 37Cl
29 rame 2 — 63Cu 65Cu
31 gallio 2 — 69Ga 71Ga
35 bromo 2 — 79Br 81Br
47 argento 2 — 107Ag 109Ag
51 antimonio 2 — 121Sb 123Sb
77 iridio 2 — 193Ir 191Ir
81 tallio 2 — 205Tl 203Tl
73 tantalio 2 1 181Ta 180mTa
23 vanadio 1 1 51V 50V
37 rubidio 1 1 85Rb 87Rb
49 indio 1 1 115In 113In
57 lantanio 1 1 139La 138La
63 europio 1 1 153Eu 151Eu
71 lutezio 1 1 175Lu 176Lu
75 renio 1 1 187Re 185Re
9 fluoro 1 — 19F
11 sodio 1 — 23 Na
13 alluminio 1 — 27Al
15 fosforo 1 — 31P
21 scandio 1 — 45Sc
25 manganese 1 — 55Mn
27 cobalto 1 — 59Co
33 arsenico 1 — 75As
39 ittrio 1 — 89Y
41 niobio 1 — 93Nb
45 rodio 1 — 103Rh
53 iodio 1 — 127I
55 cesio 1 — 133Cs
59 praseodimio 1 — 141Pr
65 terbio 1 — 159Tb
67 olmio 1 — 165Ho
69 tulio 1 — 169Tm
79 oro 1 — 197Au
83 bismuto 0 1 209Bi

Elementi senza isotopi primordiali modifica

Nessun isotopo primordiale
Isotopo dalla vita più lunga
in anni/giorni
Z
 Elemento
 t1/2 di[1][11] Isotopo
dalla vita
più lunga
96 curio 1,56×107a 247Cm
43 tecnezio 4,2×106a 98Tc[2]
93 nettunio 2,144×106a 237Np
91 protoattinio 32 760 a 231Pa
95 americio 7 370 a 243Am
88 radio 1 602 a 226Ra
97 berkelio 1 380 a 247Bk
98 californio 898 a 251Cf
84 polonio 103 a 209Po
89 attinio 21,77 a 227Ac
61 promezio 17,7 a 145Pm[2]
99 einsteinio 1,29 a 252Es[10]
100 fermio 100,5 g 257Fm[10]
101 mendelevio 51,5 g 258Md[10]
86 radon 3,82 g 222Rn
105 dubnio 1,3 g 268Db[10]
Nessun isotopo primordiale
Isotopo dalla vita più lunga
in ore/minuti/secondi
Z
 Elemento
 t1/2 di[1][11] Isotopo
dalla vita
più lunga
104 rutherfordio 13 h 265Rf[10]
103 laurenzio 10 h[12] 264Lr[10]
85 astato 8,1 h 210At
107 bohrio 1,5 h[12] 273Bh[10]
106 seaborgio 1 h[12] 272Sg[10]
108 hassio 1 h[12] 276Hs[10]
102 nobelio 58 min 259No[10]
87 francio 22,0 min 223Fr[10]
113 ununtrio[13] 20 min[12] 287Uut[10]
111 roentgenio 10 min[12] 283Rg[10]
109 meitnerio 6 min[12] 279Mt[10]
115 ununpentio[13] 1 min[12] 291Uup[10]
112 copernicio 34 s 285Cn[10]
110 darmstadtio 10 s 278Ds[10]
114 flerovio[13] 2,7 s 289Fl[10]
116 livermorio[13] 5,3×10−2s 293Lv[10]
118 oganesson[13] 8,9×10−4s 294Uuo[10]
 
Tavola periodica con gli elementi colorati secondo l’emivita del loro isotopo più stabile.

     Elementi stabili;

     Elementi radioattivi con isotopi dalla vita molto lunga. La loro emivita di oltre quattro milioni di anni conferisce loro radioattività molto piccole, se non trascurabili;

     Elementi radioattivi che possono presentare bassi rischi per la salute. I loro isotopi più stabili hanno emivite tra 800 e 34 000 anni. A causa di questo, hanno solitamente alcune applicazioni commerciali;

     Elementi radioattivi che è noto pongono elevati rischi per la salute. I loro isotopi più stabili hanno emivite tra un giorno e 103 anni. La loro radioattività conferisce loro scarso potenziale per usi commerciali;

     Elementi altamente radioattivi. I loro isotopi più stabili hanno emivite tra un giorno e parecchi minuti. Pongono gravi rischi per la salute. Pochi di essi trovano uso al di fuori della ricerca di base;

     Elementi estremamente radioattivi. Si sa pochissimo di questi elementi a causa della loro estrema instabilità e radioattività.

 
Tavola periodica colorata secondo il numero degli isotopi stabili. Gli elementi con numeri atomici dispari hanno soltanto uno o due isotopi stabili, mentre gli elementi con numeri atomici pari hanno tutti tre o più isotopi stabili, eccetto i primi tre: elio, berillio e carbonio.

Note modifica

  1. ^ a b c d e f g h Sonzogni, Alejandro, Interactive Chart of Nuclides, su nndc.bnl.gov, National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. URL consultato il 6 giugno 2008 (archiviato dall'url originale il 10 ottobre 2018).
  2. ^ a b c Si veda isotopi del tecnezio per una discussione dettagliata sul perché il tecnezio e il promezio non hanno isotopi stabili.
  3. ^ Belle Dumé, Bismuth breaks half-life record for alpha decay, Institute of Physics Publishing, 23 aprile 2003.
  4. ^ Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc, Jean-Pierre Moalic, Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth, in Nature, vol. 422, n. 6934, aprile 2003, pp. 876–878, DOI:10.1038/nature01541, PMID 12712201.
  5. ^ a b c Gli isotopi che hanno un'emivita maggiore di circa 108 anni si possono ancora trovare sulla Terra, ma soltanto quelli con emivite sopra i 7×108anni (a partire dall'235U) si trovano in quantità apprezzabili. La presente lista trascura alcuni isotopi con emivite di circa 108 anni perché sulla Terra sono stati misurati in quantità minuscole. L'uranio-234 con la sua emivita di 246 000 anni e la sua abbondanza isotopica naturale dello 0,0055% è un caso speciale: è un prodotto di decadimento dell'uranio-238 piuttosto che un nuclide primordiale.
  6. ^ (EN) Novel Gas Research, su presolar.wustl.edu. URL consultato il 26 aprile 2009 (archiviato dall'url originale il 28 settembre 2011).
  7. ^ a b Ci sono isotopi instabili con emivite estremamente lunghe che si trovano anche sulla Terra e alcuni di essi sono perfino più abbondanti di tutti gli isotopi stabili di un determinato elemento (ad esempio il 187Re beta attivo è due volte più abbondante del 185Re stabile). Inoltre una maggiore abbondanza naturale implica semplicemente che la sua formazione sia stata favorita dalla nucleosintesi stellare precessata che produce la materia costituente ora il sistema solare e la Terra.
  8. ^ a b Mentre il bismuto e il torio hanno soltanto un unico isotopo primordiale, l'uranio ha tre isotopi che si trovano in natura (238U, 235U e 234U). Il plutonio-244 è un caso speciale perché la sua emivita (80 milioni di anni) è appena sufficiente a permettere di trovarlo ancora sulla Terra in quantità in tracce.
  9. ^ Si vedano le molte differenti applicazioni industriali e mediche degli elementi radioattivi in Radionuclide, Medicina nucleare, Decadimento beta, Decadimento gamma, Cobalto-60, Stronzio-90, Iodio-123
  10. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u Per gli elementi con un numero atomico più alto del californio (con Z > 98) potrebbero esistero isotopi ancora non scoperti che sono più stabili di quelli conosciuti.
  11. ^ a b Legenda: a=anno, g=giorno, h=ora, min=minuto, s=secondo.
  12. ^ a b c d e f g h Questi valori non sono derivati semplicemente da dati sperimentali, ma almeno in parte da tendenze sistematiche.
  13. ^ a b c d e Nessuno degli elementi con un numero atomico sopra 112 è ancora stato confermato dallo IUPAC.

Voci correlate modifica

  Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia
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