Isotopo

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Un isotopo (dal greco ἴσος (isos) τόπος (topos) che significa "stesso posto") è un atomo di uno stesso elemento chimico, e quindi con lo stesso numero atomico Z, ma con differente numero di massa A, e quindi differente massa atomica M.[1][2] La differenza dei numeri di massa è dovuta ad un diverso numero di neutroni presenti nel nucleo dell'atomo a parità di numero atomico. Stessi isotopi che differiscono solamente per lo stato eccitato vengono definiti isomeri.

Se due nuclei contengono lo stesso numero di protoni, ma un numero differente di neutroni, i due nuclei avranno lo stesso comportamento chimico (con delle minime differenze nei tempi di reazione e nell'energia di legame, denominate collettivamente effetti isotopici), ma avranno comportamenti fisici differenti, essendo uno più pesante dell'altro.

Stabilità isotopica[modifica | modifica sorgente]

Gli isotopi sono suddivisi in isotopi stabili (circa 340) e non stabili o isotopi radioattivi (circa 3000 conosciuti ed altri 6000 ipotizzati da calcoli teorici). Il concetto di stabilità non è netto, infatti esistono isotopi "quasi stabili". La loro stabilità è dovuta al fatto che, pur essendo radioattivi, hanno un tempo di dimezzamento estremamente lungo anche se confrontato con l'età della Terra di 4.5 Ga. Secondo teorie cosmologiche recenti nessun isotopo è da ritenersi propriamente stabile.

Ci sono 21 elementi (ad esempio berillio-9, fluoro-19, sodio-23, scandio-45, rodio-103, iodio-127, oro-197 o torio-232, quasi-stabile) che possiedono in natura un solo isotopo stabile anche se nella maggior parte dei casi gli elementi chimici sono costituiti da più di un isotopo con una miscela isotopica naturale, che in molti casi è variabile in conseguenza di fenomeni idro-geologici (es: idrogeno ed ossigeno), decadimenti radioattivi (es: piombo) e manipolazioni dovute all'uomo (es: idrogeno/deuterio/trizio e isotopi dell'uranio). Pertanto la IUPAC aggiorna continuamente i valori delle masse atomiche medie raccomandate per i vari elementi chimici tenendo conto di tale variabilità. Essa è ampiamente condizionata dal sito geologico di provenienza (acquifero, terrestre, atmosferico), nonché dalla provenienza extraterrestre o molto raramente extrasolare (meteoriti).

Poiché la massa atomica media degli elementi poliisotopici è talvolta variabile, il suo valore deve essere dotato di cifre significative in numero appropriato (ad esempio 58,933 195(5) u per il 59Co che è monoisotopico, 58,6934(2) u per il Ni, 207,2(1) u per il Pb che è il prodotto dal decadimento delle catene radioattive naturali di 235U, 238U e 232Th).

Isotopi stabili[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Isotopo stabile.

Tra gli isotopi stabili più studiati ci sono: l'idrogeno, il boro, il carbonio, l'azoto, l'ossigeno e lo zolfo, chiamati anche isotopi leggeri. Di solito gli isotopi dello stesso elemento sono presenti in natura in diverse concentrazioni: uno in alta concentrazione e l'altro, normalmente, in tracce. Per esempio in natura il carbonio si presenta come una miscela di tre isotopi con numero di massa pari a 12, 13 e 14: 12C, 13C e 14C (quest'ultimo è radioattivo ed è di origine cosmogenica). Le loro abbondanze rispetto alla quantità globale di carbonio sono rispettivamente: 98,89%, 1,11%, tracce (1 atomo di 14C ogni ~ 1012 atomi di 12C)[3].

Il rapporto isotopico tra due isotopi viene calcolato mettendo l'isotopo pesante al numeratore (es. R = D/H o 18O/16O). A causa delle difficoltà nel gestire rapporti R con un numero così elevato di decimali (ad esempio D/H = 0,000160025) è stato deciso dal principio di evitare i valori assoluti e di usare il valore relativo del rapporto del materiale da analizzare contro un "materiale di riferimento". Questo nuovo valore viene indicato come δ e viene calcolato in base alla seguente formula:

\delta = \frac{R_{\mathrm{campione}} - R_{\mathrm{standard}}}{R_{\mathrm{standard}}} \times 1000

La scelta di esprimere il valore moltiplicato per 1000, fa sì che si eliminino i decimali e si semplifichi così il valore finale.

Gli standard di riferimento sono:

Elemento Standard Abbondanza isotopica relativa
Ossigeno V-SMOW (Vienna-Standard Mean Ocean Water) \frac{^{18}O}{^{16}O}=0,0020052
Idrogeno V-SMOW (Vienna-Standard Mean Ocean Water) \frac{^{2}H}{^{1}H}=0,00015576
Carbonio PDB-1 (Pee-Dee Belemnitella) \frac{^{13}C}{^{12}C}=0,011237
Azoto N2 atmosferico \frac{^{15}N}{^{14}N}=0,003677
Zolfo CDT Canyon Diablo Troilite \frac{^{34}S}{^{32}S}=0,045

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Rolla, op. cit., p. 35
  2. ^ (EN) IUPAC Gold Book, "isotopes"
  3. ^ Wang et al., 1998

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Wang Y., Huntington T. G., Osher L. J., Wassenaar L. I., Trumbore S. E., Amundson R. G., Harden J. W., Mc Knight D. M., Schiff S. L., Aiken G. R., Lyons W. B., Aravena R. O., Baron J. S. (1998), Carbon Cycling in Terrestrial Environments.
  • C.Kendall and J.J.McDonnell (Ed.), Isotope tracers in catchments hydrology. Elsevier, 519-576
  • Luigi Rolla, Chimica e mineralogia. Per le Scuole superiori, 29ª ed., Dante Alighieri, 1987.

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