Gli isotopi e la radioattivita'

[cedric83]

Isotopi

Agli inizi del 900 si scoprì che alcuni elementi, caratterizzati da un proprio numero di massa e numero atomico, decadevano naturalmente emettendo delle particelle (alfa o beta). Questa emissione faceva variare sia il numero di massa sia quello atomico trasformando quindi l’ elemento iniziale in un altro elemento della tavola periodica. Ogni volta che era emessa una particella alfa la carica del nucleo diminuiva di 2 unità e la massa atomica diminuiva di 4 unità. Ogni volta che era emessa una particella beta la carica nucleare aumentava di un’ unità mentre la massa atomica restava invariata. Quindi l’ emissione di una particella alfa shifta l’ elemento di due posti a sinistra sulla tavola periodica, mentre l’ emissione di una particella beta shifta l’ elemento di un posto a destra sulla tavola periodica (legge dello spostamento per radioattività). La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione di un altro atomo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Essa é chiamata disintegrazione o decadimento.
Molti esperimenti dimostrarono che i prodotti di un decadimento radioattivo erano anch’ essi radioattivi (ma con diverso comportamento chimico) producendo così un decadimento a catena che si fermava solo quando un dato elemento risultava stabile. Analizzando i vari prodotti dei successivi decadimenti si scoprì che alcuni di essi erano chimicamente indistinguibili, avevano cioè stesse proprietà chimiche fisiche e nucleari. A queste “copie” d’ elementi si diede il nome di isotopi. La parola isotopo quindi sta ad indicare che l’ elemento occupa lo stesso posto nella tavola periodica ma ha un numero di massa diverso (più neutroni). Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi, e questa trasformazione si accompagna con l'emissione di radiazioni ionizzanti per cui essi sono chiamati isotopi radioattivi, o anche radioisotopi, o anche radionuclidi.
Ad esempio: il ferro presente in natura é costituito da 4 isotopi, tutti con 26 protoni ma ognuno con 28, 30, 31 e 32 neutroni rispettivamente. Gli isotopi sono identificati dal nome dell'elemento e dal numero di massa (esempio: ferro-54, ferro-56, ecc.).
In natura esistono circa 90 elementi (dall'idrogeno, il più leggero, all'uranio, il più pesante) e circa 270 isotopi. Tra gli elementi, una ventina sono costituiti da un unico isotopo (come ad esempio il sodio, il cobalto, l'arsenico e l'oro), gli altri hanno almeno due isotopi (ad esempio: il cloro ne ha due, lo zinco ne ha cinque, lo stagno ne ha dieci).

Oltre agli isotopi da sempre presenti in natura (isotopi naturali) , esistono oggi un gran numero di isotopi artificiali, cioè prodotti dall'uomo. Esempi d’ isotopi artificiali sono il cobalto-60 (27 protoni, 33 neutroni), usato in radioterapia e in gammagrafia, il plutonio-239 (94 protoni, 145 neutroni), usato come combustibile nelle centrali nucleari. Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli artificiali, presentano nuclei instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni.
Distinguiamo i vari tipi d’ isotopi:
• Isobari. Sono isobari elementi differenti (diverso Z) che presentano lo stesso peso atomico (uguale A). In altre parole presentano lo stesso numero di nucleoni ma diverso numero di protoni e diverse caratteristiche chimiche.
• Isotoni. Sono isotoni elementi differenti (diverso Z) che presentano lo stesso numero di neutroni (diverso A). Differiscono dunque anche per le caratteristiche chimiche.
• Isomeri. Sono forme di uno stesso elemento, identiche nella composizione nucleare (Z e A uguali), che si differenziano per lo stato di eccitazione del nucleo. Alcuni elementi, infatti, rimangono in stato eccitato per un tempo misurabile (da 1E-12 secondi fino ad alcune ore) prima di decadere ad un livello energetico inferiore attraverso un'emissione di fotoni gamma per transizione isomerica. Tale condizione è detta "stato metastabile".
Normalmente, infatti, un nucleo che si trova ad un livello energetico superiore (in stato eccitato) libera l'energia in eccesso, sotto forma di radiazione gamma, riportandosi al livello energetico più basso in un tempo inferiore a 1E-13 secondi.