Un isotopo è una variante di un elemento che ha un peso atomico diverso da altre varianti. Fatta eccezione per la forma più comune di idrogeno, che ha solo un protone, ogni nucleo atomico nella materia normale è composto sia da protoni che da neutroni. Gli isotopi di un dato elemento hanno lo stesso numero di protoni, ma diverso numero di neutroni. Hanno essenzialmente le stesse proprietà chimiche, ma differiscono leggermente nelle loro caratteristiche fisiche, come il punto di fusione e il punto di ebollizione. Alcuni isotopi sono instabili e tendono a decadere in altri elementi, emettendo particelle subatomiche o radiazioni; questi sono radioattivi e sono conosciuti come radioisotopi.
Quando gli scienziati fanno riferimento a un particolare isotopo di un elemento, il numero di massa, o il numero di protoni più il numero di neutroni, appare in alto a sinistra, accanto al simbolo dell’elemento. Ad esempio, la forma dell’idrogeno che ha un protone e un neutrone è scritta come 2H. Allo stesso modo, 235U e 238U sono due diversi isotopi dell’uranio. Questi sono anche comunemente scritti come uranio-235 e uranio-238.
Il nucleo atomico
I neutroni sono elettricamente neutri, ma i protoni hanno una carica elettrica positiva. Poiché cariche simili si respingono, un nucleo contenente più di un protone ha bisogno di qualcosa per impedire a queste particelle di separarsi. Quel qualcosa è chiamato forza nucleare forte, a volte indicata semplicemente come forza forte. È molto più forte della forza elettromagnetica responsabile della repulsione tra i protoni, ma a differenza di questa forza, ha un raggio molto breve. La forza forte lega insieme protoni e neutroni nel nucleo, ma la forza elettromagnetica vuole allontanare i protoni.
Nuclei stabili e instabili
Negli elementi più leggeri, la forza forte è in grado di tenere insieme il nucleo finché ci sono abbastanza neutroni per diluire la forza elettromagnetica. Tipicamente, in questi elementi, il numero di protoni e neutroni è circa lo stesso. Negli elementi più pesanti, deve esserci un eccesso di neutroni per fornire stabilità. Oltre un certo punto, però, non esiste una configurazione che fornisca un nucleo stabile. Nessuno degli elementi più pesanti del piombo ha isotopi stabili.
Troppi neutroni possono anche rendere instabile un isotopo. Ad esempio, la forma più comune di idrogeno ha un protone e nessun neutrone, ma esistono altre due forme, con uno e due neutroni, chiamate rispettivamente deuterio e trizio. Il trizio è instabile perché ha troppi neutroni.
Quando un nucleo instabile, o radioattivo, decade, si trasforma in un nucleo di un altro elemento. Ci sono due meccanismi con cui questo può accadere. Il decadimento alfa si verifica quando la forza forte non riesce a tenere insieme tutti i protoni in un nucleo. Invece di espellere un protone, tuttavia, viene espulsa una particella alfa composta da due protoni e due neutroni. Protoni e neutroni sono strettamente legati insieme e la particella alfa è una configurazione stabile.
Il decadimento beta si verifica quando un nucleo ha troppi neutroni. Uno dei neutroni si trasforma in un protone, che rimane nel nucleo, e in un elettrone, che viene espulso. Nel trizio, per esempio, uno dei suoi due neutroni prima o poi si trasformerà in un protone e in un elettrone. Questo dà un nucleo con due protoni e un neutrone, che è una forma di elio, nota come 3He o elio-3. Questo isotopo è stabile, nonostante l’eccesso di protoni, perché il nucleo è abbastanza piccolo perché la forza forte lo tenga insieme.
Mezze vite
C’è un’incertezza fondamentale sul tempo che impiega un singolo nucleo instabile a decadere; tuttavia, per un dato isotopo, il tasso di decadimento è prevedibile. È possibile dare un valore molto preciso per la quantità di tempo impiegata dalla metà di un campione di un particolare isotopo per decadere in un altro elemento. Questo valore è noto come emivita e può variare da una piccola frazione di secondo a miliardi di anni. La forma più comune dell’elemento bismuto ha un’emivita un miliardo di volte superiore all’età stimata dell’universo. Una volta si pensava che fosse l’elemento stabile più pesante, ma è stato dimostrato che era leggermente radioattivo nel 2003.
Proprietà
Oltre al problema della radioattività, diversi isotopi di un elemento mostrano proprietà fisiche diverse. Le forme più pesanti, con più neutroni, hanno in genere punti di fusione e di ebollizione più elevati, a causa del fatto che è necessaria più energia per far muovere i loro atomi e le loro molecole abbastanza velocemente da provocare un cambiamento di stato. Ad esempio, “acqua pesante”, una forma di acqua in cui il normale idrogeno viene sostituito dal deuterio più pesante, si congela a 38.9 ° F (3.82 ° C) e bolle a 214.5° F (101.4 ° C), rispetto a 32 ° C F (0°C) e 212°F (100°C), rispettivamente, per l’acqua normale. Le reazioni chimiche possono procedere leggermente più lentamente per gli isotopi più pesanti per lo stesso motivo.
si utilizza
Probabilmente l’isotopo più famoso è 235U, a causa del suo uso nell’energia nucleare e negli armamenti. La sua instabilità è tale da poter subire una reazione nucleare a catena, liberando enormi quantità di energia. L’uranio “arricchito” è l’uranio con una maggiore concentrazione di questo isotopo, mentre l’uranio “impoverito” ha una concentrazione molto più bassa.
La datazione radiometrica utilizza le proporzioni dei diversi isotopi per stimare l’età dei campioni, come materiali biologici o rocce. La datazione al radiocarbonio, ad esempio, utilizza l’isotopo radioattivo 14C, o carbonio-14, per datare materiali contenenti carbonio di origine organica. L’età e la storia geologica della Terra sono note in gran parte attraverso il confronto delle proporzioni dei vari isotopi nei campioni di roccia.
In biologia e medicina, piccole quantità di isotopi leggermente radioattivi possono essere utilizzate come marcatori atomici per tracciare il movimento di varie sostanze, come i farmaci, attraverso il corpo. Gli isotopi più fortemente radioattivi possono essere usati come fonte di radiazioni per distruggere i tumori e le escrescenze cancerose. L’elio-3, che si pensa esista in grandi quantità sulla luna, è tra i combustibili a lungo termine più promettenti per i reattori a fusione. Tuttavia, utilizzarlo in modo efficace richiederà prima di tutto padroneggiare altre forme di fusione.