Izotop stabil

Graficul izotopilor / nuclizilor după tipul de descompunere. Nuclizii portocalii și albastru sunt instabili. Pătratele negre dintre aceste regiuni reprezintă nuclizii stabili. Linia solidă care trece sub mulți dintre nucleizi reprezintă poziția teoretică pe graficul nucleidilor pentru care numărul de protoni este același cu numărul de neutroni. Graficul arată că elementele cu mai mult de 20 de protoni trebuie să aibă un număr mai mare de neutroni decât protoni pentru a fi stabili.

Izotopi stabili sunt chimici izotopi care pot sau nu pot fi radioactive , dar în cazul în care acestea sunt, ei au timpi de înjumătățire , care sunt prea lungi pentru a măsura.

Doar 90 de nuclizi din primele 40 de elemente sunt stabili din punct de vedere energetic pentru orice tip de dezintegrare, cu excepția, teoretic, a dezintegrării protonilor (a se vedea lista de nuclizi ). Alți 165 suplimentari sunt teoretic instabili pentru anumite tipuri cunoscute de degradare, dar nu s-au observat vreodată dovezi ale decăderii, pentru un total de 255 nuclizi pentru care nu există dovezi de radioactivitate. Conform acestei definiții, există, prin urmare, 255 nuclizi stabili cunoscuți din cele 80 de elemente care au unul sau mai mulți izotopi stabili. O listă a acestora din urmă este furnizată la sfârșitul acestui articol.

Dintre cele 80 de elemente cu unul sau mai mulți izotopi stabili, doar douăzeci și șase au un singur izotop stabil și sunt numiți astfel monoizotopici , iar restul au mai mult de un izotop stabil. Un singur element ( tablă ) are zece izotopi stabili, cel mai mare număr cunoscut pentru un element.

Proprietățile izotopilor stabili

Diferitii izotopi ai aceluiași element (atât stabil cât și instabil) au aproape aceleași caracteristici chimice și, prin urmare, se comportă aproape identic în biologie (o excepție notabilă sunt izotopii hidrogenului - vezi Apa grea ). Diferențele de masă, datorate unei diferențe în numărul de neutroni , vor duce la separarea parțială a luminii de izotopii grei în timpul reacțiilor chimice și în timpul proceselor fizice, cum ar fi difuzia și evaporarea. Acest proces se numește fracționarea izotopilor . De exemplu, diferența de masă dintre cei doi izotopi stabili ai hidrogenului, ¹ H (1 proton, fără neutron, cunoscut și sub numele de unchi mare ) și ² H (1 proton, 1 neutron, cunoscut și sub numele de deuteriu ) este de aproape 100%. Prin urmare, va avea loc o fracționare semnificativă.

Studiul izotopilor stabili

Izotopii stabili analizați în mod obișnuit includ oxigen , carbon , azot , hidrogen și sulf . Aceste sisteme de izotopi sunt în curs de investigație de mai mulți ani pentru a studia procesele de fracționare a izotopilor în sistemele naturale, deoarece sunt relativ simple de măsurat. Progresele recente în spectrometria de masă (adică spectrometria de masă plasmatică cuplată inductiv cu mai mulți colectoare) permit acum măsurarea izotopilor stabili mai grei, precum fierul , cuprul , zincul , molibdenul etc.

Izotopii stabili au fost folosiți de mulți ani în investigațiile botanice și biologice asupra plantelor, iar din ce în ce mai multe studii ecologice și biologice descoperă utilitatea extremă a izotopilor stabili (în principal carbon, azot și oxigen). Alți operatori au folosit izotopi de oxigen pentru a reconstrui temperaturile atmosferice istorice, făcându-i instrumente importante pentru cercetarea climei. Măsurătorile raporturilor dintre un izotop stabil natural și altul joacă un rol important în datarea radiometrică și geochimia izotopilor și sunt, de asemenea, utile pentru determinarea tiparelor de precipitații și a mișcărilor elementelor între organismele vii, ajutând la clarificarea dinamicii rețelelor alimentare din ecosisteme .

Definiția stabilității și prezenței izotopului natural

Majoritatea nuclizilor naturali sunt stabili (aproximativ 255; vezi lista de la sfârșitul acestui articol); și aproximativ încă 33 (pentru un total de 288) sunt cunoscute elemente radioactive cu perioade de înjumătățire suficient de lungi (cunoscute și) pentru a fi prezente din timpuri „primordiale”. Dacă timpul de înjumătățire al unui nuclid este comparabil (sau mai mare) cu vârsta Pământului (4,5 miliarde de ani), o cantitate semnificativă va fi supraviețuit de la formarea sistemului solar și se spune că este primordială . Apoi va contribui la compoziția izotopului natural al unui element chimic în acest fel. Radioizotopii prezenți primordial cu perioade de înjumătățire scurte de până la 700 de milioane de ani (de exemplu, ²³⁵ U ) sunt ușor de descoperit, deși au fost descoperiți unii izotopi primordiali cu perioade de înjumătățire scurte de până la 80 de milioane de ani (de exemplu, ²⁴⁴ Pu ). Cu toate acestea, aceasta este limita actuală a descoperirii, deoarece nucleul cu cel mai scurt timp de înjumătățire ( niobiu-92 cu un timp de înjumătățire de 34,7 milioane de ani) nu a fost încă descoperit în natură.

Mulți radioizotopi care apar în mod natural (încă aproximativ 51 de ani, pentru un total de aproximativ 339) prezintă timpuri de înjumătățire chiar mai scurte de 80 de milioane de ani, dar sunt nou create, ca produse pentru copii ale proceselor de descompunere ale nuclizilor primordiali (de exemplu, radiul din uraniu) sau din reacțiile energetice în curs, cum ar fi nuclizii cosmogeni produși de bombardamentul actual al Pământului de către razele cosmice (de exemplu, carbonul 14 creat de azot).

Mulți izotopi care sunt clasificați ca stabili (adică nu s-a observat radioactivitate pentru aceștia) se așteaptă să aibă perioade de înjumătățire extrem de lungi (uneori până la ^10-18 ani sau mai mult). Dacă timpul de înjumătățire estimat se încadrează într-un interval accesibil din punct de vedere experimental, astfel de izotopi au șansa de a trece de la lista nuclizilor stabili la categoria radioactivă odată ce activitatea lor a fost observată. Exemple bune sunt bismut-209 și tungsten-180, care au fost clasificate anterior ca stabile, dar au fost descoperite recent (2003) ca fiind alfa- active. Cu toate acestea, astfel de nuclizi nu își schimbă starea primordială atunci când se descoperă că sunt radioactivi.

Se crede că majoritatea izotopilor stabili de pe Pământ s-au format în procesele de nucleosinteză , fie în Big Bang ^[1] , fie în generații de stele care au precedat formarea sistemului solar. Cu toate acestea, unii izotopi stabili prezintă, de asemenea, variații ale abundenței pe Pământ ca urmare a decăderii de la nuclizi radioactivi de lungă durată. Acești produși de descompunere sunt denumiți izotopi radiogeni , pentru a-i deosebi de grupul mult mai mare de izotopi „non-radiogeni”.

Domenii de cercetare

Așa-numita insulă de stabilitate poate dezvălui o serie de atomi de viață lungă sau chiar stabile, care sunt mai grei (și cu mai mulți protoni) decât plumbul .

Fracționarea izotopilor stabili

Există trei tipuri de fracționare a izotopilor :

• fracționarea echilibrului
• fracționarea cinetică
• fracționarea independentă de masă

Izotopi pe element

Același subiect în detaliu: Lista elementelor pentru stabilitatea izotopului , Lista nuclidilor stabili și a izotopilor cu dezintegrare beta .

Dintre elementele chimice cunoscute, 80 au cel puțin un nuclid stabil. Acestea includ primele 82 de elemente de la hidrogen la plumb , cu excepția tehneciului (# 43) și a prometiului (# 61), care nu au nuclizi stabili. În decembrie 2010, existau un total de 255 nuclizi „stabili” cunoscuți. În această definiție, „stabil” înseamnă un nuclid care nu a fost niciodată observat că se descompune în raport cu fondul natural. în consecință, aceste elemente au timp de înjumătățire prea lung pentru a fi măsurate prin orice mijloace, directe sau indirecte.

Doar un element ( staniu ) are zece izotopi stabili, iar unul ( xenon ) are nouă. Niciun element nu are exact opt ​​izotopi stabili, dar patru elemente au șapte izotopi stabili, nouă au șase izotopi stabili, nouă au cinci izotopi stabili, nouă au patru izotopi stabili, cinci au trei izotopi stabili, șaisprezece au doi izotopi stabili și douăzeci și șase au doar un singur izotop stabil și, prin urmare, sunt considerate elemente monoizotopice . ^[2] Numărul mediu de izotopi stabili pentru elementele care au cel puțin unul dintre aceștia este 255/80 = 3,2.

„Numere magice” și numărarea protonilor și a neutronilor pari și impari

Stabilitatea izotopilor este influențată de relația dintre protoni și neutroni, precum și de prezența anumitor „ numere magice ” de neutroni sau protoni care reprezintă cochilii cuantice complete și închise. Aceste cochilii cuantice corespund unui set de niveluri de energie într-un model de cochilie al miezului; cojile umplute, cum ar fi cochilia umplută cu 50 de protoni, oferă nuclidului stabilitate neobișnuită. Ca și în cazul cositorului, un număr magic de Z , numărul atomic, tinde să crească numărul de izotopi stabili ai elementului.

La fel ca și în cazul electronilor, care au starea de energie cea mai scăzută atunci când apar în perechi într-un anumit orbital, nucleonii (atât protoni, cât și neutroni) prezintă o stare de energie mai scăzută atunci când numărul lor este par, mai degrabă decât impar. Această stabilitate tinde să prevină decăderea beta (în două etape) a multor nuclizi uniformi într-un alt nucleu egal cu același număr de masă, dar cu energie mai mică (și, desigur, cu încă doi protoni și doi neutroni mai puțini), deoarece decăderea care se desfășoară o dată la alta ar trebui să treacă printr-un nuclid impar-impar de energie mai mare. Acest lucru face posibile nuclizi uniformi mai stabili, până la trei pentru unele numere de masă și până la șapte pentru unele numere atomice (protoni). În schimb, din cei 255 de nuclizi stabili cunoscuți, doar patru au atât un număr impar de protoni, cât și un număr impar de neutroni: hidrogen-2 ( deuteriu ), litiu-6 , bor-10 și azot-14 . Mai mult decât atât, doar patru nuclizi radioactivi impari și naturali au un timp de înjumătățire de peste un miliard de ani: potasiu-40 , vanadiu-50 , lantan-138 și tantal-180m . Odd-impar nuclides primordiale sunt rare , deoarece cele mai multe nuclee impar-impar sunt foarte instabile în ceea ce privește dezintegrarea beta , deoarece produsele de descompunere sunt chiar-chiar și sunt , prin urmare , foarte puternic legat, ca urmarea efectelor decuplare nucleare . ^[3]

Cu toate acestea, un alt efect al instabilității unui număr impar al oricărui tip de nucleon este că elementele numerotate impar au tendința de a avea mai puțini izotopi stabili. Dintre cele 26 de elemente monoizotopice care au un singur izotop stabil, toate cu excepția unuia au un număr atomic impar - singura excepție de la ambele reguli fiind beriliu. Toate aceste elemente au, de asemenea, un număr par de neutroni, cu singura excepție fiind în continuare beriliu.

Izomeri nucleari, inclusiv un „stabil”

Numărul celor 255 de nuclizi stabili cunoscuți include Ta-180m, deoarece, chiar dacă degradarea și instabilitatea sa sunt implicite automat în notația sa de "metastabil", nu a fost încă observată. Toți izotopii „stabili” (stabili prin observare, nu prin teorie) sunt stările fundamentale ale nucleelor, cu excepția tantalului-180m, care este izomerul nuclear sau nivelul excitat (starea de bază a acestui nucleu este radioactivă cu o timp de înjumătățire scurt de 8 ore); dar decăderea izomerului nuclear excitat este extrem de puternic interzisă de regulile de selecție a parității de spin. S-a raportat experimental prin observație directă că timpul de înjumătățire de ^180m Ta în dezintegrarea gamma trebuie să fie mai mare de ^10-15 ani. Alte posibile moduri de descompunere de ^{180 m} Ta (beta decadere, captare electronică și decădere alfa) nu au fost niciodată observate.

Izotopii radioactivi primordiali și izotopii non-primordiali naturali

Același subiect în detaliu: Lista elementelor după stabilitatea izotopului și elementele primordiale .

Elementele cu mai mult de 82 de protoni au doar izotopi radioactivi, deși pot apărea în mod natural, deoarece timpul lor de înjumătățire este mai mare de aproximativ 2% din timp din nucleosinteza supernovelor elementelor din care a fost creat sistemul nostru solar. Un caz extrem este plutoniul-244 , care este încă detectabil din rezervoarele primordiale, chiar dacă are un timp de înjumătățire de numai 80 de milioane de ani (1,8% din vârsta sistemului solar). Există aproximativ 33 de nuclizi primari radioactivi naturali .

În aproximativ 50 de cazuri cunoscute, elementele cu perioade de înjumătățire mai scurte decât plutoniul-244 sunt observate în mod natural pe Pământ, deoarece sunt produse de raze cosmice (de exemplu, carbon-14 ) sau altceva deoarece (cum ar fi radiul sau poloniul ) apar într-un lanț de dezintegrare a izotopilor radioactivi (în principal uraniu și toriu), care au timp de înjumătățire suficient de lung pentru a fi abundent încă din vremurile primordiale.

Decăderea încă neobservată

Același subiect în detaliu: Lista de nuclizi .

Energie de legătură per nucleon de izotopi comuni.

Se așteaptă ca îmbunătățirea continuă a sensibilității experimentale să permită descoperirea radioactivității (instabilității) foarte ușoare a unor izotopi care sunt acum considerați stabili. De exemplu, abia în 2003 s-a arătat că bismutul-209 (singurul izotop natural al bismutului) este foarte ușor radioactiv. ^[4] Este posibil ca mulți nuclizi „stabili” să fie „meta-stabili”, deoarece pot fi calculați ca având o eliberare de energie ^[5] în diferite tipuri posibile de dezintegrare radioactivă.

Doar 90 de nuclizi din primele 40 de elemente sunt teoretic stabile la orice fel de dezintegrare, cu excepția dezintegrării protonului (care nu a fost observată). Restul, începând cu niobiu-93, sunt teoretic instabile la fisiunea spontană.

Pentru alte procese decât fisiunea spontană, alte căi teoretice de descompunere pentru elementele mai grele includ:

• descompunere alfa - 70 nuclizi grei
• dublu dezintegrare beta (inclusiv captură dublă de electroni , conversie electron-pozitron și dezintegrare dublă pozitronică ) - 55 nuclizi
• descompunere beta - Ta-180m
• captură electronică - Te-123, Ta-180m
• tranziție izomerică - Ta-180m
• dezintegrarea clusterelor și fisiunea spontană - mulți dintre nucleidii mai grei

Acestea includ toți nuclizii cu masa 201 și mai mare. Argonul-36 este în prezent cel mai ușor nuclid „stabil” cunoscut, care este teoretic instabil.

Pozitivitatea eliberării de energie în aceste procese înseamnă că acestea sunt permise cinetic (nu încalcă conservarea energiei) și, în consecință, pot apărea în principiu. Ele nu sunt observate datorită suprimării puternice, dar nu absolute, bazată pe regulile de selecție a parității de rotire (pentru dezintegrări beta și tranziții izomerice) sau pe baza grosimii potențiale a barierei (pentru descompuneri alfa și cluster și pentru fisiune spontană).

Tabel rezumativ al numerelor fiecărei clase de nuclizi

Acesta este un tabel rezumat din Lista Nuclide . Rețineți că numerele nu sunt exacte și se pot schimba ușor în viitor, atunci când se observă că nuclizii sunt radioactivi sau când se determină cu o anumită acuratețe noile perioade de înjumătățire. De asemenea, trebuie remarcat faptul că numai grupul de 255 nuclizi are un titlu pentru stabilitate, dar că doar 90 de nuclizi din primele 40 de elemente sunt teoretic stabile la orice proces, cu excepția decăderii protonilor.

Lista izotopilor stabil observabili

În lista de mai jos, 90 de nuclizi nu prezintă un mod de dezintegrare energetic posibil, cu excepția dezintegrării protonilor. Acestea nu sunt indicate.

Alte moduri de dezintegrare radioactivă prezise (dar care nu au fost încă observate) sunt notate ca: A pentru decăderea alfa, B pentru decăderea beta, BB pentru decăderea beta dublă, E pentru captarea electronilor, EE pentru captura dublă a electronilor și IT pentru tranziția izomerică. Datorită curbei de energie a legăturii, mulți nuclizi de la Z = 41 (niobiu) și mai sus sunt teoretic instabili în ceea ce privește fisiunea SF spontană (a se vedea Lista de nuclizi pentru detalii), iar mulți dintre nucleidii mai grei sunt teoretic instabili și în alte procese.

Abbreviazioni:
A per decadimento alfa, B per decadimento beta, BB per doppio decadimento beta, E per cattura elettronica, EE per doppia cattura elettronica, IT per transizione isomerica.

Note

Bibliografia

• Editor-in-chief, David R. Lide, Handbook of Chemistry & Physics , a cura di Lide, David R., 88th, CRC, 2002, ISBN 0-8493-0486-5 , OCLC 179976746 . URL consultato il 23 maggio 2008 . Più di un parametro tra cognome e autore specificato ( aiuto )

Voci correlate

• Abbondanza isotopica
• Tabella di nuclidi
• Lista di nuclidi (905 nuclidi in ordine di stabilità, tutti con emivite > un'ora)
• Geochimica isotopica
• Radionuclide
• Elementi primordiali

Collegamenti esterni

• The LIVEChart of Nuclides - IAEA in Java o HTML

Portale Chimica

Portale Fisica