Elementi chimici per stabilità degli isotopi

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

Dei primi 82 elementi della tavola periodica, 80 hanno isotopi considerati stabili. Il tecnezio, il promezio (numeri atomici 43 e 61, rispettivamente)Si veda isotopi del tecnezio per una discussione dettagliata sul perché il tecnezio e il promezio non hanno isotopi stabili. 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). Questa lista descrive quanto risulta dal consenso della comunità scientifica fino al 2023.

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 161 potrebbero essere energeticamente instabili, ma non sono stati mai osservati decadere. Quindi, 251 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 dieci di tali isotopi stabili, cinque hanno sette isotopi, sette hanno sei isotopi, undici hanno cinque isotopi, nove hanno quattro isotopi, cinque hanno tre isotopi stabili, sedici hanno due isotopi stabili e ventisei hanno un unico isotopo stabile. Quindi, ci sono attualmente 251 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 31 nuclidi dei 94 elementi presenti naturalmente hanno isotopi stabili con emivita maggiore dell'età del sistema solare (~109 anni o più).Gli isotopi che hanno un'emivita maggiore di circa 108 anni si possono ancora trovare sulla Terra, ma soltanto quelli con emivite sopra i anni (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 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. Altri 6 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 37 nuclidi radioattivi presenti naturalmente costituiscono i nuclidi primordiali radioattivi. Il numero totale dei nuclidi primordiali è allora di 251 (i nuclidi stabili) più i 37 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 anni, fu misurata con metodo esclusivo di rilevazione del figlio radiogeno, lo xeno-128, ed è attualmente l'emivita più lunga conosciuta, misurata sperimentalmente. 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.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.

Ci sono 80 elementi con almeno un isotopo stabile, ma sono conosciuti 118 elementi chimici. 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. Di questi, quattro elementi (il bismuto, il torio, l'uranio e forse in tracce il plutonio) sono primordiali perché hanno emivite abbastanza lunghe da essere ancora trovati sulla Terra,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. 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 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.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 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.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.

Circa 339 nuclidi si trovano in natura sulla Terra. Questi comprendono 251 isotopi stabili e, con l'aggiunta dei 37 radioisotopi dalla vita lunga con emivite più lunghe di 80 milioni di anni, danno 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 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 Elementi con isotopi primordiali 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 con i simboli dei nuclidi instabili (radioattivi) in grassetto. 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.