Nuclide

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Il termine nuclide designa un atomo[1] caratterizzato dall'avere nel suo nucleo un numero specificato di protoni (numero atomico Z), un numero specificato di neutroni (numero neutronico N) ed anche un eventuale stato energetico del nucleo, che va indicato se non è quello fondamentale.[2][3] Inoltre, a meno di ulteriore indicazione, si intende che l'atomo sia elettricamente neutro e che quindi il numero degli elettroni presenti intorno al nucleo sia uguale al numero atomico.

Il termine è stato introdotto dal fisico Truman Kohman nel 1947.[4]

Rappresentazioni

La rappresentazione simbolica di un nuclide di un generico nuclide di un elemento E prevede di indicare ad apice sinistro il suo numero di massa A, a pedice sinistro il suo numero atomico Z (che però è già determinato se si scrive il simbolo dell'elemento) e un'eventuale aggiunta (dopo A) di una m ad apice sinistro per denotare un possibile stato eccitato del nucleo (stato metastabile, o isomero nucleare); questa m è eventualmente seguita da un numero, qualora si stessero considerando più stati metastabili (vedi Esempi, sotto). Dal numero di massa e dal numero atomico si può dedurre il numero di neutroni: N = A−Z. Il nuclide generico è quindi rappresentabile come AZE o, se è ionico, come AZEn±.[5]

Esempi

La scrittura 199E indica un elemento il cui nucleo si compone di 19 nucleoni, dei quali 9 sono protoni; quest'ultima informazione implica che si tratta di un nuclide dell'elemento fluoro e che esso ha nel nucleo 10 neutroni (19-9); inoltre indica che tale nuclide di fluoro è quello nel suo stato fondamentale, non essendoci l'indicazione di uno stato eccitato. Lo stesso nuclide viene normalmente scritto 19F, anche se a volte può essere utile scrivere 199F, mantenendo l'informazione sul numero atomico. Di seguito, altri esempi di rappresentazioni di nuclidi:

1H, 2H, 3H, 3He, 4He, 7Be,12C, 14C, 16O, 24Mg, 31P, 40Ca, 56Fe, 57Fe (+0 keV, spin 1/2-), 57mFe (+14,4 keV, spin 3/2-), 80Kr, 99Tc, 99mTc, 178m1Hf, 178m2Hf, 200Hg, 210mBi, 232Th, etc.

L'informazione sul numero di massa del nuclide, e la sua eventuale natura metastabile, può anche essere espressa in linea (invece che ad apice), scrivendola dopo il simbolo dell'elemento, facendola precedere da un trattino:

4He = He-4 = elio-4, 56Fe = Fe-56 = ferro-56, 99mTc = Tc-99m = tecnezio-99m

Inoltre, nella rappresentazione AZE, o in quella semplificata AE, c'è spazio per indicare altro, se può servire: ad apice destro possono figurare le altre informazioni che si usano principalmente in chimica: eventuale carica elettrica (n±) per uno ione, stato di ossidazione dell'elemento (±m, o anche espresso in numeri romani), ed anche un eventuale stato di eccitazione elettronica, indicata genericamente con un asterisco.

Esempi di uso:

22Na+ → 22Ne + e+ + ν     [decadimento β+ di uno ione positivo di sodio-22 a dare un atomo neutro di neon-22, con emissione di un positrone e un neutrino][6]

20F−  → 20Ne + e− + anti-ν     [decadimento β− di uno ione negativo di fluoro-20 a dare un atomo neutro di neon-20, con emissione di un elettrone e un antineutrino][6]

T½(7Be0) > T½(7Be2+)     [l'emivita di un nuclide soggetto a cattura elettronica, qui 7Be, dipende dalla sua carica, seppur lievemente][7][8]

Il 57Fe ha un isomero nucleare, il 57mFe, spin 3/2-, a soli 14,4 keV sopra lo stato fondamentale, il che permette l'uso della spettroscopia Mössbauer sul ferro.[9]

Ci sono circa 1440 nuclidi noti, 280 dei quali sono stabili.

Tipi di nuclidi

Gli isotopi di un elemento sono un sottoinsieme di nuclidi aventi tutti lo stesso numero atomico di tale elemento, numero che ne caratterizza le proprietà chimiche, e differiscono tra loro per il numero di neutroni (e quindi anche per il numero di massa). Se non si specifica l'elemento a cui ci si riferisce, l'espressione "isotopo radioattivo" non ha senso compiuto, mentre è perfettamente corretta l'espressione "nuclide radioattivo".[2] Esempio: 12C, 13C, 14C sono i tre isotopi naturali del carbonio; i primi due sono stabili, il terzo è radioattivo; il 13C ha spin nucleare di 1/2 e come tale rende possibile la RMN del carbonio.

Per ogni isotopo di un dato elemento possono esistere stati metastabili del nucleo aventi energie diverse: isotopi di uno stesso elemento e con lo stesso numero di massa, che differiscono per il diverso stato eccitato, sono definiti isomeri nucleari.[10] Il passaggio da un isomero nucleare ad un altro implica un'emissione di fotone, o un suo assorbimento.

Nuclidi in connessione a trasformazioni nucleari

Alcune trasformazioni nucleari, in particolare alcune reazioni nucleari, conservano determinati numeri che caratterizzano il nuclide e ne cambiano altri.

Trasformazioni nucleari che conservano il numero atomico Z tra il nuclide iniziale e quello finale sono quelle che avvengono per scambio (assorbimento o emissione) di particelle elettricamente neutre e sono principalmente di due tipi:

  • quelle che avvengono per assorbimento o emissione di un fotone (particella senza massa invariante) e consistono nell'emissione di un fotone (di solito un fotone gamma) da parte di un nucleo eccitato (nuclide metastabile) o nell'assorbimento di un fotone da parte di un nucleo nel suo stato fondamentale che lo porta ad uno stato eccitato; questo è ciò che avviene nel decadimento gamma; questo tipo di trasformazioni può accompagnare altri tipi di decadimento nucleare (α, β) ma è anche implicato nella risonanza magnetica nucleare e nella spettroscopia Mössbauer.
  • quelle che avvengono per assorbimento o emissione di una particella massiva come il neutrone; queste sono relativamente rare e consistono in espulsione di neutrone da un nucleo, o un suo assorbimento (cattura neutronica). Altre trasformazioni nucleari di questo tipo sono quelle indotte da assorbimento di un neutrino (decadimento beta inverso).[11]

Nuclidi con lo stesso numero di massa ma diverso numero atomico sono chiamati nuclidi isobari[12] (dal greco, "ugualmente pesanti") e necessariamente appartengono ad elementi diversi.

Tutti i decadimenti beta positivi o negativi, singoli o doppi, e compresa la cattura elettronica, singola o doppia, hanno la notevole proprietà di conservare il numero di massa A tra i nuclidi interessati e quindi il nuclide iniziale e quello finale risultano isobari.[13]

Si definiscono isotoni (termine coniato, piuttosto sbrigativamente, inserendo una "n" al posto della "p" di "isotopo"[14]) nuclidi aventi lo stesso numero di neutroni ma diverso numero atomico.[15]

Reazioni nucleari che conservano il numero di neutroni sono le emissioni di protoni (o assorbimenti), reazioni nucleari molto rare che interessano nuclidi decisamente lontani dalla condizione di stabilità; un esempio è il nuclide metastabile 53mCo (+3.174 keV).[16]

Il decadimento alfa non conserva né il numero di protoni, né quello dei neutroni (entrambi diminuiscono di due unità), ma si conserva la differenza N-Z; i due nuclidi implicati (padre e figlio) si dicono isodiaferi.[17]

Radionuclidi

Lo stesso argomento in dettaglio: Radionuclide.

I nuclidi radioattivi vengono anche chiamati radionuclidi: sono nuclidi instabili, in quanto soggetti ad almeno uno dei vari decadimenti radioattivi.[18]

Note

  1. ^ Non solo il suo nucleo, come da definizione IUPAC.
  2. ^ a b (EN) Michael Thoennessen, 1 - Introduction, in Introduction, Springer International Publishing, 2016, pp. 1–4, DOI:10.1007/978-3-319-31763-2_1, ISBN 978-3-319-31761-8. URL consultato il 2 maggio 2024.
  3. ^ The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), IUPAC - nuclide (N04257), su goldbook.iupac.org. URL consultato il 2 maggio 2024.
  4. ^ pubs.aip.org, https://pubs.aip.org/ajp/article/15/4/356/1033746/Proposed-New-Word-Nuclide. URL consultato il 2 maggio 2024.
  5. ^ (EN) Nuclide, Atomic Number, mass number, su Chemistry LibreTexts, 2 ottobre 2013. URL consultato il 2 maggio 2024.
  6. ^ a b Table of Nuclides, su atom.kaeri.re.kr. URL consultato il 2 maggio 2024.
  7. ^ R Bouchez e P Depommier, Orbital electron capture by the nucleus, in Reports on Progress in Physics, vol. 23, n. 1, 1º gennaio 1960, pp. 395–452, DOI:10.1088/0034-4885/23/1/308. URL consultato il 2 maggio 2024.
  8. ^ E. B Norman, G. A Rech e E Browne, Influence of physical and chemical environments on the decay rates of 7Be and 40K, in Physics Letters B, vol. 519, n. 1, 25 ottobre 2001, pp. 15–22, DOI:10.1016/S0370-2693(01)01097-8. URL consultato il 2 maggio 2024.
  9. ^ (EN) Philipp Gütlich, Mössbauer Spectroscopy – Principles and Applications (PDF), su blogs.unimainz.de, Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie Johannes Gutenberg-Universität Mainz. URL consultato il 2 ottobre 2022 (archiviato dall'url originale il 2 ottobre 2022).
  10. ^ The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), IUPAC - nuclear isomers (N04234), su goldbook.iupac.org. URL consultato il 2 maggio 2024.
  11. ^ A Oralbaev, M Skorokhvatov e O Titov, The inverse beta decay: a study of cross section, in Journal of Physics: Conference Series, vol. 675, n. 1, 5 febbraio 2016, pp. 012003, DOI:10.1088/1742-6596/675/1/01200. URL consultato il 20 settembre 2024.
  12. ^ The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), IUPAC - isobars (I03263), su goldbook.iupac.org. URL consultato il 2 maggio 2024.
  13. ^ József Kónya e Noémi M. Nagy, Radioactive Decay, Elsevier, 2018, pp. 49–84, DOI:10.1016/b978-0-12-813643-0.00004-4. URL consultato il 2 maggio 2024.
  14. ^ Linus Pauling, General chemistry, Dover Publications, Inc, 1988, p. 94, ISBN 978-0-486-65622-9. URL consultato il 23 aprile 2024.
  15. ^ The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), IUPAC - isotones (I03321), su goldbook.iupac.org. URL consultato il 2 maggio 2024.
  16. ^ (EN) Nuclei Far from Stability and Astrophysics, DOI:10.1007/978-94-010-0708-5. URL consultato il 20 settembre 2024.
  17. ^ B. K. Sharma, Nuclear and Radiation Chemistry, 7ª ed., Krishna Prakashan Media, 2001, p. 78, ISBN 978-81-85842-63-9.
  18. ^ The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), IUPAC - radionuclide (R05116), su goldbook.iupac.org. URL consultato il 2 maggio 2024.

Voci correlate

Collegamenti esterni

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