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

Gamma numerica dei neutroni inseribili (naturalmente o artificialmente) nel nucleo atomico, in funzione di ogni numero di protoni. Emivita (indice della stabilità nucleare) di ogni isotopo corrispondente. -Nella colonna a destra, la gamma dei colori e i corrispondenti valori di emivita non è in corrispondenza di posizione con l'asse cartesiano delle ordinate nel grafico ma solo con il colore indicante il grado di stabilità dei nuclidi. -Nel grafico, dunque, si noti che il rapporto ideale N/Z (linea nera intermedia corrispondente ai nuclidi stabili) aumenta con l'aumento di Z e che l'allontanamento da tale linea ideale, verso l'alto (eccesso di N) e verso il basso (difetto di N), inizialmente quasi simmetrico (fino a Z=45-55: eccesso N (>)=(poco maggiore) difetto N), diventa alquanto sbilanciato verso il basso (eccesso N <<=(molto minore) difetto N) {forse a causa della forte repulsione esercitata sui protoni da un numeroso guscio elettronico che favorirebbe contrazione e aumento della forza di attrazione intranucleare, in un nucleo alleggerito di neutroni?}

Dei primi 82 elementi della tavola periodica, 80 hanno isotopi considerati stabili.^[1] Il tecnezio, il promezio (numeri atomici 43 e 61, rispettivamente)^[2] 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).^[3][4] Questa lista descrive quanto risulta dal consenso della comunità scientifica fino al 2008.^[1]

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 165 sono energeticamente stabili, ma non sono stati mai osservati decadere. Quindi, 255 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 10 di tali isotopi stabili, uno (lo xeno) ha nove isotopi, quattro hanno sette isotopi, nove hanno sei isotopi, nove hanno cinque isotopi, nove hanno quattro isotopi, cinque hanno tre isotopi stabili, sedici hanno due isotopi stabili e ventisei hanno un unico isotopo stabile.^[1] Quindi, ci sono attualmente 255 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 28 nuclidi dei 94 elementi presenti naturalmente hanno isotopi stabili con emivita maggiore dell'età del sistema solare (~10⁹ anni o più).^[5] Altri 5 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 33 nuclidi radioattivi presenti naturalmente costituiscono i nuclidi primordiali radioattivi. Il numero totale dei nuclidi primordiali è allora di 255 (i nuclidi stabili) più i 33 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 7,7×10²⁴anni, fu misurata con metodo esclusivo di rilevazione del figlio radiogeno, lo xeno-128, ed è attualmente l'emivita più lunga conosciuta, misurata sperimentalmente.^[6] 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.^[7]

Ci sono 80 elementi con un solo isotopo stabile, ma sono conosciuti circa 112 elementi chimici a seconda della conferma ufficiale (118 sono dati in questa tabella). 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.^[1] Di questi, quattro elementi (bismuto, torio, uranio e plutonio) sono primordiali perché hanno emivite abbastanza lunghe da essere ancora trovati sulla Terra,^[8] 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 (assumendo che il numero totale degli elementi sia 118) 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.^[9] 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.^[10]

Circa 339 nuclidi si trovano in natura sulla Terra. Questi comprendono 255 isotopi stabili e, con l'aggiunta dei 33 radioisotopi dalla vita lunga con emivite più lunghe di 80 milioni di anni, dànno 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

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 (contrassegnati decadimenti) con i simboli dei nuclidi instabili (radioattivi) in corsivo. 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.

Isotopi primordiali (in ordine di abbondanza decrescente sulla terra^[7]) degli elementi con Z pari

Z	Elemento	Stabile [1]	Decadimenti [1][5]	instabili in corsivo[5] numero neutronico dispari in rosa
50	stagno	10	—	^120Sn	^118Sn	^116Sn	^119Sn	^117Sn	^124Sn	^122Sn	^112Sn	^114Sn	^115Sn
54	xeno	9	—	^132Xe	^129Xe	^131Xe	^134Xe	^136Xe	^130Xe	^128Xe	^124Xe	^126Xe
48	cadmio	6	2	^114Cd	^112Cd	^111Cd	^110Cd	^113Cd	^116Cd	^106Cd	^108Cd
52	tellurio	6	2	^130Te	^128Te	^126Te	^125te	^124Te	^122Te	^123Te	^120Te
44	rutenio	7	—	^102Ru	^104Ru	^101Ru	^99Ru	^100Ru	^96Ru	^98Ru
56	bario	7	—	^138Ba	^137Ba	^136Ba	^135Ba	^134Ba	^130Ba	^132Ba
66	disprosio	7	—	^164Dy	^162Dy	^163Dy	^161Dy	^160Dy	^158Dy	^156Dy
70	itterbio	7	—	^174Yb	^172Yb	^173Yb	^171Yb	^176Yb	^170Yb	^168Yb
80	mercurio	7	—	^202Hg	^200	^199	^201Hg	^198Hg	^204Hg	^196Hg
42	molibdeno	6	1	^98Mo	^96Mo	^95Mo	^92Mo	^100Mo	^97Mo	^94Mo
64	gadolinio	6	1	^158Gd	^160Gd	^156Gd	^157Gd	^155Gd	^154Gd	^152Gd
76	osmio	6	1	^192Os	^190Os	^189Os	^188Os	^187Os	^186Os	^184Os
60	neodimio	5	2	^142Nd	^144Nd	^146Nd	^143Nd	^145Nd	^148	^150
62	samario	5	2	^152Sm	^154Sm	^147Sm	^149Sm	^148Sm	^150Sm	^144Sm
36	kripton	6	—	^84Kr	^86Kr	^82Kr	^83Kr	^80Kr	^78Kr
46	palladio	6	—	^106Pd	^108Pd	^105Pd	^110Pd	^104Pd	^102Pd
68	erbio	6	—	^166Er	^168Er	^167Er	^170Er	^164Er	^162Er
20	calcio	5	1	^40Ca	^44Ca	^42Ca	^48Ca	^43Ca	^46Ca
34	selenio	5	1	^80Se	^78Se	^76Se	^82Se	^77Se	^74Se
72	afnio	5	1	^180Hf	^178Hf	^177Hf	^179Hf	^176Hf	^174Hf
78	platino	5	1	^195Pt	^194Pt	^196Pt	^198Pt	^192Pt	^190Pt
22	titanio	5	—	^48Ti	^46Ti	^47Ti	^49Ti	^50Ti
28	nichel	5	—	^58Ni	^60Ni	^62Ni	^61Ni	^64Ni
30	zinco	5	—	^64Zn	^66Zn	^68Zn	^67Zn	^70Zn
32	germanio	4	1	^74Ge	^72Ge	^70Ge	^73Ge	^76Ge
40	zirconio	5	1	^90Zr	^94Zr	^92Zr	^91Zr	^96Zr
74	tungsteno	4	1	^184W	^186W	^182W	^183W	^180W
16	zolfo	4	—	^32S	^34S	^33S	^36S
24	cromo	4	—	^52Cr	^53Cr	^50Cr	^54Cr
26	ferro	4	—	^56Fe	^54Fe	^57Fe	^58Fe
38	stronzio	4	—	^88Sr	^86Sr	^87Sr	^84Sr
58	cerio	4	—	^140Ce	^142Ce	^138Ce	^136Ce
82	piombo	4	—	^208Pb	^206Pb	^207Pb	^204Pb
8	ossigeno	3	—	^16O	^18O	^17O
10	neon	3	—	^20Ne	^22Ne	^21Ne
12	magnesio	3	—	^24Mg	^26Mg	^25Mg
14	silicio	3	—	^28Si	^29Si	^30Si
18	argon	3	—	^40Ar	^36Ar	^38Ar
2	elio	2	—	^4He	^3He
6	carbonio	2	—	^12C	^13C
92	uranio	0	2	^238U[8]	^235U
4	berillio	1	—	^9Be
90	torio	0	1	^232Th
94	plutonio	0	1	^244Pu

Isotopi primordiali degli elementi
con Z dispari

Z	Elemento	Stab	Dec	instabili: corsivo N in rosa
19	potassio	2	1	^39K	^41K	^40K
1	idrogeno	2	—	^1H	^2H
3	litio	2	—	^7Li	^6Li
5	boro	2	—	^11B	^10B
7	azoto	2	—	^14N	^15N
17	cloro	2	—	^35Cl	^37Cl
29	rame	2	—	^63Cu	^65Cu
31	gallio	2	—	^69Ga	^71Ga
35	bromo	2	—	^79Br	^81Br
47	argento	2	—	^107Ag	^109Ag
51	antimonio	2	—	^121Sb	^123Sb
77	iridio	2	—	^193Ir	^191Ir
81	tallio	2	—	^205Tl	^203Tl
73	tantalio	2	1	^181Ta	^180mTa
23	vanadio	1	1	^51V	^50V
37	rubidio	1	1	^85Rb	^87Rb
49	indio	1	1	^115In	^113In
57	lantanio	1	1	^139La	^138La
63	europio	1	1	^153Eu	^151Eu
71	lutezio	1	1	^175Lu	^176Lu
75	renio	1	1	^187Re	^185Re
9	fluoro	1	—	^19F
11	sodio	1	—	^23 Na
13	alluminio	1	—	^27Al
15	fosforo	1	—	^31P
21	scandio	1	—	^45Sc
25	manganese	1	—	^55Mn
27	cobalto	1	—	^59Co
33	arsenico	1	—	^75As
39	ittrio	1	—	^89Y
41	niobio	1	—	^93Nb
45	rodio	1	—	^103Rh
53	iodio	1	—	^127I
55	cesio	1	—	^133Cs
59	praseodimio	1	—	^141Pr
65	terbio	1	—	^159Tb
67	olmio	1	—	^165Ho
69	tulio	1	—	^169Tm
79	oro	1	—	^197Au
83	bismuto	0	1	^209Bi

Elementi senza isotopi primordiali

Nessun isotopo primordiale
Isotopo dalla vita più lunga
in anni/giorni

Z	Elemento	t^1/2 di[1][11]	Isotopo dalla vita più lunga
96	curio	1,56×10^7a	^247Cm
43	tecnezio	4,2×10^6a	^98Tc[2]
93	nettunio	2,144×10^6a	^237Np
91	protoattinio	32 760 a	^231Pa
95	americio	7 370 a	^243Am
88	radio	1 602 a	^226Ra
97	berkelio	1 380 a	^247Bk
98	californio	898 a	^251Cf
84	polonio	103 a	^209Po
89	attinio	21,77 a	^227Ac
61	promezio	17,7 a	^145Pm[2]
99	einsteinio	1,29 a	^252Es[10]
100	fermio	100,5 g	^257Fm[10]
101	mendelevio	51,5 g	^258Md[10]
86	radon	3,82 g	^222Rn
105	dubnio	1,3 g	^268Db[10]

Nessun isotopo primordiale
Isotopo dalla vita più lunga
in ore/minuti/secondi

Z	Elemento	t^1/2 di[1][11]	Isotopo dalla vita più lunga
104	rutherfordio	13 h	^265Rf[10]
103	laurenzio	10 h[12]	^264Lr[10]
85	astato	8,1 h	^210At
107	bohrio	1,5 h[12]	^273Bh[10]
106	seaborgio	1 h[12]	^272Sg[10]
108	hassio	1 h[12]	^276Hs[10]
102	nobelio	58 min	^259No[10]
87	francio	22,0 min	^223Fr[10]
113	ununtrio[13]	20 min[12]	^287Uut[10]
111	roentgenio	10 min[12]	^283Rg[10]
109	meitnerio	6 min[12]	^279Mt[10]
115	ununpentio[13]	1 min[12]	^291Uup[10]
112	copernicio	34 s	^285Cn[10]
110	darmstadtio	10 s	^278Ds[10]
114	flerovio[13]	2,7 s	^289Fl[10]
116	livermorio[13]	5,3×10^−2s	^293Lv[10]
118	oganesson[13]	8,9×10^−4s	^294Uuo[10]

Tavola periodica con gli elementi colorati secondo l’emivita del loro isotopo più stabile.

     Elementi stabili;

     Elementi radioattivi con isotopi dalla vita molto lunga. La loro emivita di oltre quattro milioni di anni conferisce loro radioattività molto piccole, se non trascurabili;

     Elementi radioattivi che possono presentare bassi rischi per la salute. I loro isotopi più stabili hanno emivite tra 800 e 34 000 anni. A causa di questo, hanno solitamente alcune applicazioni commerciali;

     Elementi radioattivi che è noto pongono elevati rischi per la salute. I loro isotopi più stabili hanno emivite tra un giorno e 103 anni. La loro radioattività conferisce loro scarso potenziale per usi commerciali;

     Elementi altamente radioattivi. I loro isotopi più stabili hanno emivite tra un giorno e parecchi minuti. Pongono gravi rischi per la salute. Pochi di essi trovano uso al di fuori della ricerca di base;

     Elementi estremamente radioattivi. Si sa pochissimo di questi elementi a causa della loro estrema instabilità e radioattività.

Tavola periodica colorata secondo il numero degli isotopi stabili. Gli elementi con numeri atomici dispari hanno soltanto uno o due isotopi stabili, mentre gli elementi con numeri atomici pari hanno tutti tre o più isotopi stabili, eccetto i primi tre: elio, berillio e carbonio.

Note

1. Sonzogni, Alejandro, Interactive Chart of Nuclides, su nndc.bnl.gov, National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. URL consultato il 6 giugno 2008 (archiviato dall'url originale il 10 ottobre 2018).
2. Si veda isotopi del tecnezio per una discussione dettagliata sul perché il tecnezio e il promezio non hanno isotopi stabili.
3. Belle Dumé, Bismuth breaks half-life record for alpha decay, Institute of Physics Publishing, 23 aprile 2003.
4. Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc, Jean-Pierre Moalic, Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth, in Nature, vol. 422, n. 6934, aprile 2003, pp. 876–878, DOI:10.1038/nature01541, PMID 12712201.
5. Gli isotopi che hanno un'emivita maggiore di circa 10⁸ anni si possono ancora trovare sulla Terra, ma soltanto quelli con emivite sopra i 7×10⁸anni (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 246 000 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.
6. (EN) Novel Gas Research, su presolar.wustl.edu. URL consultato il 26 aprile 2009 (archiviato dall'url originale il 28 settembre 2011).
7. 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.
8. 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.
9. 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
10. 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.
11. Legenda: a=anno, g=giorno, h=ora, min=minuto, s=secondo.
12. Questi valori non sono derivati semplicemente da dati sperimentali, ma almeno in parte da tendenze sistematiche.
13. Nessuno degli elementi con un numero atomico sopra 112 è ancora stato confermato dallo IUPAC.

Voci correlate

• Tabella di nuclidi
• Isola di stabilità
• Lista di nuclidi

Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia