ATOMI, ISOTOPI, DATAZIONI RADIOMETRICHE
Si dicono isotopi atomi i cui nuclei sono costituiti da uno stesso numero di protoni e da un differente numero di neutroni.
Gli isotopi hanno quindi diverso numero di massa e uguale numero atomico. La parola isotopo deriva dal greco e significa stesso posto , perché gli atomi con lo stesso numero atomico appartengono ad un elemento che occupa lo stesso posto nella tabella degli elementi.
Generalmente si usa rappresentare un determinato isotopo con il nome o il simbolo dell’elemento di appartenenza e col numero di massa. Per esempio per rappresentare i tre isotopi naturali dell’ossigeno si ricorre ai simboli 168O, 178O e 188O dove in basso è indicato il numero atomico, Z, ed in alto il numero di massa A.
La scoperta della radioattività, alla fine del XIX secolo, e le conseguenti ricerche sugli elementi prodotti in processi naturali di disintegrazione radioattiva permisero di mettere sperimentalmente in evidenza la possibilità che atomi costituenti uno stesso elemento potessero avere masse atomiche diverse. Studiando i prodotti associati alla radioattività degli elementi uranio, torio e attinio, furono individuati alcuni gruppi di elementi, ciascuno costituito da atomi con identiche proprietà chimiche ma diverse masse atomiche. Risultò evidente che gli atomi appartenenti a ciascun gruppo costituivano uno stesso posto nel sistema periodico degli elementi. Nel 1913, F. Soddy propose di chiamare gli atomi aventi questa proprietà isotopi.
Le prime ricerche sull’esistenza di isotopi di elementi non radioattivi furono condotte da Thomson a partire dal 1910: esse si basavano sull’analisi dei raggi positivi, i cosiddetti raggi canale, ottenuti con una scarica elettrica in un apposito tubo contenente gas. L’apparecchiatura usata da Thomson fu successivamente perfezionata da Aston con lo spettrografo di massa e poi da altri ricercatori ancora, in modo da rendere possibile una accurata determinazione delle masse degli isotopi ed anche delle loro quantità relative nei campioni di diversi elementi.
Le masse di tutti i singolo isotopi, espresse in unità di massa fisica, sono risultate essere sempre espresse da numeri molto prossimi a quelli interi. La massa atomica di un elemento costituito da più isotopi, esprimendo il valore della media ponderale delle masse dei vari isotopi nella miscela, risulta invece spesso corrispondere a numeri sensibilmente diversi da quelli interi.
In natura sono stati riconosciuti 290 differenti isotopi variamente distribuiti tra tutti gli elementi: mentre pochi elementi sono presenti in natura con un solo isotopo, come il fluoro e l’oro, la maggioranza vi sono presenti con vari isotopi, fino a dieci nel caso dello stagno. Oltre agli isotopi naturali , vi sono isotopi artificiali prodotti attraverso opportune reazioni nucleari.
Gli isotopi di un elemento possono essere radioattivi o stabili. La massima parte degli elementi in natura è costituita da miscele di isotopi stabili.
Altri elementi infine, quali i transuranici, non individuati in quantità apprezzabili in natura, sono noti soltanto attraverso i loro isotopi artificiali radioattivi.
Ogni elemento ha in natura in genere una composizione isotopica costante. Sono tuttavia note delle eccezioni relative ad alcuni elementi associati a processi radioattivi naturali: la composizione isotopica del piombo in minerali contenenti uranio o torio risulta diversa da quella del piombo di altra origine, in conseguenza della progressiva formazione degli isotopi stabili di origine radioattiva 20682Pb, 20782Pb, 20882Pb. In tempi recenti è stato sperimentalmente rilevato che anche in elementi non associati a disintegrazioni radioattive naturali, si trovano piccole ma significative differenze nella loro composizione isotopica in minerali differenti ( sono per esempio l’idrogeno, il carbonio e l’ossigeno ).
Queste differenze sono dovute a esigue ma percettibili variazioni di composizione isotopica verificatesi nel corso di trasformazioni geologiche quando un elemento si è venuto a ripartire ad esempio tra minerali diversi.
E’ da rilevare che il diverso numero di neutroni nei nuclei degli isotopi, oltre a comportare importanti differenze nella struttura e quindi nelle proprietà fisiche dei nuclei stessi, provoca anche talune differenze, seppure di entità minima piccola, nel comportamento chimico e chimico -fisico degli isotopi. Queste differenze, "effetti isotopici ", sono la conseguenza delle diversità delle masse isotopiche le quali, in primo luogo, hanno diretta incidenza sull’energia cinetica delle molecole contenenti i diversi isotopi e, in secondo luogo, determinano delle variazioni nelle frequenze delle vibrazioni nell’interno delle molecole originate con i diversi isotopi.
La prima conseguenza causa effetti isotopici in processi chimico -fisici quali la velocità di diffusione ; la seconda conseguenza è invece responsabile degli effetti isotopici di tipo puramente chimico rilevabili negli equilibri chimici e nelle velocità di reazione.
Il problema della separazione dei singoli isotopi di un elemento ha acquistato crescente importanza in concomitanza con l’esigenza di poter disporre di isotopi puri per numerose applicazioni. Il problema può essere quello di ottenere miscele isotopiche in cui uno dei componenti sia presente in percentuale più elevata rispetto a quella della miscela naturale: si parla allora di processi di arricchimento. La separazione si ottiene sfruttando la differenza di peso atomico o di peso molecolare se si opera su composti. Il rapporto tra i pesi di due isotopi può essere molto grande e quindi è possibile operare con metodi chimico -fisici. Per elementi pesanti questo rapporto è al contrario molto piccolo per cui è necessario ricorrere a processi fisici particolari come la spettroscopia di massa, la diffusione, la distillazione, la separazione centrifuga, la diffusione termica, la separazione elettromagnetica.
Tra i processi recenti ricordiamo la configurazione in fase gassosa, particolarmente adatta per la separazione dei due isotopi dell’uranio , e l’impiego di laser modulabili, in modo da poter eccitare una sola specie isotopica in una data famiglia di isotopi.
Gli isotopi radioattivi puri o in opportune miscele trovano numerose applicazioni in diversi settori della ricerca scientifica e vengono largamente impiegati nell’industria. Ricordiamo qualche applicazione pratica, come la datazione radioattiva che permette di determinare l’età delle rocce o di reperti archeologici (OROLOGI RADIOATTIVI) e come le sorgenti ionizzanti o energetiche (FISSIONE e FUSIONE).
Nel campo della medicina gli isotopi sono utili per una serie di procedure di tipo terapeutico, diagnostico e di ricerca. Si possono usare per localizzare il cancro , poiché alcuni isotopi sono assorbiti preferenzialmente dai tessuti cancerosi, ma anche come sorgenti di radiazioni per distruggere tali tessuti .Vengono utilizzati isotopi che emettono radiazioni con diversa capacità di penetrazione, come le radiazioni gamma prodotte da Co -60 per uccidere cellule cancerogene all’interno del corpo umano o le radiazioni beta prodotte da P-32 o Sr-90 per uccidere quelle presenti sulla superficie del corpo . Gli strumenti medici vengono di solito sterilizzati con raggi gamma.
Nel campo della ricerca chimica e biologica gli isotopi radioattivi sono utilizzati per rintracciare ciò che accade a sostanze diverse nei processi. Mescolati con atomi non radioattivi della sostanza in esame fungono da traccianti e permettono di studiare meccanismi di reazione , di distribuzione e di assorbimento.
Gli isotopi sono anche detti " nuclidi ".Sono ad esempio nuclidi il carbonio-12, il carbonio-14 e l’uranio-235.
Gli atomi che emettono spontaneamente radiazioni sono detti " radionuclidi ".
La notazione isotopica viene usata per rappresentare le particelle emesse durante le disintegrazioni nucleari. Il 23892U rappresenta l’isotopo dell’uranio che ha 238 nucleoni, cioè neutroni e protoni, nel nucleo.
L’emissione di particelle alfa e beta ( i raggi a sono nuclei di elio ad alta energia e si chiamano " particelle a " e sono le meno penetranti, i raggi b sono l’emissione di elettroni e si chiamano " particelle b " e penetrano fino a un centimetro di metallo ) dal nucleo degli atomi lascia un nucleo con minore massa , che può essere il nucleo di un altro elemento. Perciò si dice che l’atomo ha subito un " decadimento nucleare ".
Ogni radionuclide si disintegra a una velocità specifica e costante, che viene espressa come " periodo di semitrasformazione " oppure " tempo di dimezzamento ( t ½ ) " .
Il tempo di dimezzamento è il tempo necessario perché si disintegri la metà dei nuclei contenuti in un campione radioattivo.
I valori ( t ½ ) vanno da una frazione di secondo a miliardi di anni; ad esempio, per l’uranio-238 è 4,5 X 109 anni, per il radion-226 è1620 anni.
Lo iodio-131 ha un tempo di dimezzamento di 8 giorni. Questo significa che iniziando con 1 grammo di iodio , dopo 8 giorni ne rimane 0.5 g , dopo altri 8 giorni 0.25 e così via. Questo isotopo viene utilizzato in medicina per misurare la funzionalità della tiroide. Misurando successivamente la radioattività della tiroide i medici sono in grado di dire quanto iodio-131 è stato assorbito dalla ghiandola.
TEMPI DI DIMEZZAMENTO DEGLI ISOTOPI DI RADIO, CARBONIO E URANIO
| ISOTOPO | TEMPO DI DIMEZZAMENTO |
| Radio-223 | 11,7 giorni |
| Radio-224 | 3,64 giorni |
| Radio-225 | 14,8 giorni |
| Radio-226 | 1620 anni |
| Radio-228 | 6,7 anni |
| Cobalto-60 | 5,3 anni |
| Carbonio-14 | 5730 anni |
| Carbonio-15 | 2,4 secondi |
| Uranio-235 | 7,1 x 108 anni |
| Uranio-238 | 4,5 x 109 anni |
Una delle applicazioni dei radionuclidi è quella della datazione di reperti archeologici o di rocce.
Se si conosce la quantità iniziale dell’elemento radioattivo, per risalire all’età del reperto è sufficiente misurare la quantità attuale dell’elemento, conoscendo la curva di decadimento dello stesso.
Se non si conosce il quantitativo iniziale dell’isotopo radiattivo ,poiché è noto il rapporto di variazione tra la quantità dell’elemento radioattivo e quella del suo discendente stabile, si può risalire all’età dell’oggetto in base alla presenza di quest’ultimo, ricorrendo alla curva di decadimento.
Esistono diversi radionuclidi naturali, ma non tutti sono utilizzabili per determinare l’età radiometrica perché:
Per la datazione di eventi recenti si utilizza la datazione con 14C, un radionuclide che viene prodotto costantemente nell’atmosfera: ha un tempo di dimezzamento di 5730 anni e decade ad azoto-14 con emissioni beta. Il rapporto nell’atmosfera tra C-14 e C-12 è costante e pari a 1,3x10-12.
Gli isotopi del carbonio reagiscono con l’ossigeno atmosferico per dare biossido di carbonio. Durante la fotosintesi le piante utilizzano CO2,una parte della quale è costituita da C-14, e la utilizzano per sintetizzare molti composti del carbonio che poi vengono trasferiti, attraverso la catena alimentare , agli altri animali. Carbonio-12 e 14 si distribuiscono quindi agli individui finché sono in vita, in modo costante , secondo il rapporto esistente nell’atmosfera . Alla morte non si assume più radiocarbonio e la quantità dell’isotopo diminuisce progressivamente, secondo la legge del dimezzamento, cioè dopo 5.730 anni troveremo metà dell’isotopo iniziale. Misurando quindi la quantità di C-14 è possibile scoprire quanto tempo è trascorso dalla morte dell’animale o della pianta .La determinazione del C-14 è stata utilizzata per verificare l’età di documenti antichi e delle ossa di ominidi, ma non può esser utilizzata, visto il breve periodo di dimezzamento , per la datazione di reperti molto antichi ( solo fino a 40.000, 60.000 anni fa).
Per la datazione di rocce si utilizzano radionuclidi con tempi di dimezzamento molto lunghi, come U-238, U-235, Th-232, K-40, Rb-87 che decadono rispettivamente in Pb-206, Pb-207, Pb-208, Ar-40 e Sr-87 in 6.5 miliardi, 713 miloni,14,1 miliardi, 1,3 miliardi e 4,7 miliardi di anni.
Nel caso dell’uranio-238, si ricerca il Pb-206. Dalla concentrazione di questo "figlio" dell’uranio, conoscendo il rapporto uranio-piombo e il tempo di dimezzamento, si può risalire al tempo trascorso.Si sono stimate in questo modo l’età della roccia più antica presente sulla Terra ( granito della Groenlandia=3,7x109 anni) e la stessa età della Terra, 4,6x109 anni.
ARGOMENTO TRATTATO DALLA PROF. PAOLA BOSCO E CURATO DAGLI ALUNNI GIOVANNINI ANDREA, PLANCHER GABRIELE E VULCAN MARCO DELLA CLASSE 2C
Bibliografia:
Enciclopedia internazionale di chimica Edizioni PEM
Fondamenti di chimica Edizioni Zanichelli